Тепловые эффекты химических реакций

Прежде всего, необходимо ответить на вопрос, почему практически все химические реакции сопровождаются определенными тепловыми эффектами. Для ответа на этот вопрос нужно учесть, что при реакции происходит разрыв и образование химических связей. Рассмотрим в качестве примера взаимодействие водорода с хлором:

H₂ + Cl₂ = 2HCl.

Очевидно, для образования 2 моль хлороводорода должны быть разорваны связи в 1 моле водорода и 1 моле хлора. Приведем значение энергии связи:

Н-Н 436 кДж/моль;

Cl-Cl 242,3 кДж/моль;

H-Cl 431,4 кДж/моль.

Для разрыва связей в молекулах водорода и хлора должно быть израсходовано 436 + 242,3 = 678,3 кДж. Образование связей в 2 моль хлороводорода приведет к выделению 431,4•2 = 862,8 кДж. Таким образом, рассматриваемая реакция сопровождается выделением теплоты в количестве 862,8 - 678,2 = 184,5 кДж.

Большинство химических реакций протекает при постоянном давлении (р = const), например, в открытом химическом стакане, в колбе. Так как при изобарных процессах количество теплоты измеряется изменением энтальпии, то тепловые эффекты реакции принято обозначать величинами Δ Н.

Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называются экзотермическими (Δ Н < 0).

Реакции, которые сопровождаются поглощением теплоты, называются эндотермическими (Δ Н > 0) (рис. 2).

Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакций, называются термохимическими уравнениями.

а) б)

Рис. 3.2. Энтальпийные диаграммы реакций: а - эндотермической;

б - экзотермической

При составлении термохимических уравнений должно быть указано агрегатное состояние каждого вещества: (г) – газообразное, (ж) – жидкое, (к) – кристаллическое, (водн.) – в водном растворе. Термохимическое уравнение реакции образования хлороводорода должно быть записано так:

½Н_2(г) + ½Cl_2(г) = HCl; Δ Н ⁰ = -92,25 кДж/моль,

где Δ Н ⁰ – тепловой эффект реакции при стандартных условиях (р = 101,3 кПа, Т = 298 К).

Закон Гесса

Основным законом термохимии является закон Гесса, который позволяет судить, от чего зависит и от чего не зависит тепловой эффект реакции (Δ Н).

Из первого закона термодинамики как одно из следствий, открытых еще в 1840 году русским термохимиком Г.И. Гессом, следует закон: если из данных веществ можно разными способами получить заданные продукты, то тепловой эффект во всех случаях будет одним и тем же.

Иными словами: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути, по которому она протекает, а зависит только от природы и состояния исходных веществ и продуктов реакции.

Смысл закона Гесса можно наглядно проиллюстрировать на конкретном примере получения углекислого газа из графита:

Пусть система в начальном состоянии включает в себя графит С и кислород О₂, а в конечном – двуокись углерода СО₂. Переход из С, О₂ в СО₂ можно осуществить, непосредственно сжигая графит до СО₂:

1-й путь: С_{(графит)} + О_2(г) = СО_2(г), Δ Н ₁,

и в две стадии, получая сначала СО, а затем окисляя его до СО₂:

2-й путь: С_{(графит)} + ½О_2(г) = СО_(г), Δ Н ₂.

СО_(г) + ½О_2(г) = СО_2(г), Δ Н ₃.

Сложим термохимические уравнения, описывающие 2-й путь:

С_{(графит)} + ½О_2(г) + СО_(г) + ½О_2(г) = СО_(г) + СО_2(г), Δ Н ₂ + Δ Н ₃;