Будь-яка хімічна реакція супроводжується виділенням або поглинанням енергії зазвичай у вигляді теплоти. Розділ хімічної термодинаміки, що вивчає теплові ефекти хімічних процесів, називається термохімією. Теплові ефекти реакцій можна визначити як експериментально, так і за допомогою термохімічних розрахунків.
Тепловим ефектом хімічної реакції називається кількість теплоти, виділене або поглинене в результаті хімічної взаємодії. Реакції, що супроводжуються виділенням теплоти, називаються екзотермічні, що супроводжуються поглинанням теплоти - ендотермічними.
Переважна більшість хімічних реакцій - ізобарно процеси. Тому доцільно оцінювати енергетичний або тепловий ефект реакції зміною ентальпії системи. Тепловий ефект реакції, що протікає при постійному тиску, дорівнює зміні ентальпії системи Qp = # 916; H.
Рівняння хімічних реакцій, в яких вказані теплові ефекти і агрегатні стани речовин називають термохімічними рівняннями.
В термохімічних рівняннях вказується також фазовий стан і поліморфний модифікація реагують і утворюються речовин: (г) - газове, (ж) - рідке, (к) - кристалічна, (т) - тверде, (р) - розчинена і ін.
Наприклад, термохімічне рівняння синтезу води має вигляд
з рівняння випливає, що реакція є екзотермічної (# 916; Н <0) и при взаимодействии 2 моль водорода и 1 моль кислорода образуется 2 моль воды и выделяется 571,6 кДж теплоты.
За термохимическим рівняннями реакцій можна проводити різні розрахунки. Для вирішення завдань по термохимическим рівнянням потрібно записати рівняння протікає реакції, потім на основі даних скласти пропорцію і вирішити її.
Приклад №1. Обчисліть по термохімічне рівняння
кількість телоти, що виділяється при згорянні 6,2 г фосфору.
Рішення: Розрахуємо кількість речовини фосфору:
n (P) = m (P) / M (P) = 6,2 / 31 = 0,2 моль
Складемо пропорцію і знайдемо кількість теплоти:
при згорянні 4 моль Р - виділяється 3010 кДж теплоти;
при згорянні 0,2 моль Р - виділяється X кДж теплоти;
4 / 0,2 = 3010 / X; X = (0,2 · 3010) / 4 = 150,5 кДж.
Приклад №2. Складіть термохімічне рівняння реакції горіння магнію, якщо відомо, що при згорянні 6 г магнію виділилося 153,6 кДж теплоти.
Рішення. Розрахуємо кількість речовини згорілого магнію:
n (Mg) = m (Mg) / M (Mg) = 6/24 = 0,25 моль.
Складемо рівняння реакції горіння:
знайдемо кількість теплоти, що виділяється при згорянні 2 моль:
при згорянні 0,25 моль магнію - виділяється 153,6 кДж;
при згорянні 2 моль магнію - виділяється X кДж теплоти;
0,25 / 2 = 153,6 / X; X = (2 · 153,6) / 0,254 = 1228,8 кДж.
Отже, термохімічне рівняння реакції має вигляд
Приклад №3. За термохімічне рівняння
Визначте, скільки літрів оксиду вуглецю (IV) (н.у.) утворюється, якщо виділяється 591 кДж теплоти?
Рішення. Розрахуємо, при утворенні якої кількості оксиду вуглецю (IV) виділяється 591 кДж теплоти. Виходячи з рівняння реакції складемо пропорцію:
При утворенні 1 моль СО2 (н.у.) виділяється 394 кДж теплоти;
При утворенні X моль СО2 (н.у.) виділяється 591 кДж теплоти;
1 / X = 394/591; X = 591/394 = 1,5 моль СО2 (н.у.).
За слідству із закону Авогадро: 1 моль будь-якого газу (при н.у.) займає обсяг 22,4 л, складемо пропорцію:
1 моль СО2 (н.у.) займає обсяг 22,4 л;
1,5 моль СО2 (н.у.) займають X л;
1 / 1,5 = 22,4 / X; X = 1,5 · 22,4 / 1 = 33,6 л.
Для того, щоб можна було порівняти теплові ефекти різних процесів термохимические розрахунки зазвичай відносять до 1 моль речовини і стандартним станів і умов. За стандартні умови прийняті: тиск 101 325 Па і температура 25 0 С (298 К). Стандартним станом речовини є стан, стійке при стандартних умовах. Тепловий ефект при стандартних умовах називається стандартним тепловим ефектом реакції і позначається # 916; H 0 298 або # 916; H 0.
Основним законом термохімії є закон Г.І.Гесса (1841р.): Парниковий ефект хімічного процесу залежить тільки від початкового і кінцевого стану речовин і не залежить від шляху процесу, тобто числа і характеру проміжних стадій.
Так, процес перетворення вихідних речовин (стан 1) в продукти (стан 2) може бути здійснений декількома шляхами, представленими на рис.3;
Рис.3. Зміна ентальпії реакції з плином часу
Згідно із законом Гесса тепловий ефект процесу може бути розрахований наступним чином:
Згідно зі слідством із закону Гесса: тепловий ефект реакції дорівнює різниці суми ентальпій утворення продуктів реакції і суми ентальпій утворення вихідних речовин з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів:
Для розрахунку теплового ефекту реакції використовують ентальпії (теплоти) утворення речовин. Ентальпії освіти називається тепловий ефект реакції утворення 1 моль речовини з простих речовин.
Стандартні ентальпії утворення позначають # 916; H 0 обр, 298 або # 916; H 0 f, 298. де індекс f - formation (освіта). Часто один з індексів опускають. Стандартні ентальпії утворення простих речовин, стійких в стандартних умовах (газоподібний кисень O2 (г). Рідкий бром Br2 (ж). Кристалічний йод I2 (к). Ромбическая сірка S (р). Вуглець C (графіт) і т.д.) , дорівнюють нулю.
Стандартної ентальпії освіти називається зміна ентальпії в реакції утворення 1 моль хімічної сполуки з простих речовин, виміряний в стандартних умовах.
За допомогою термохімічних розрахунків можна визначити тепловий ефект реакцій, енергію хімічних зв'язків, енергію кристалічної решітки, міжмолекулярної взаємодії, ентальпію розчинення і сольватації (гідратації), енергетичні ефекти фазових перетворень і т.д.
Значення стандартних ентальпій утворення ряду речовин наведені в Додатку 1.
Приклад №4. На основаніізначеній стандартної ентальпії утворення обчисліть тепловий ефект реакції, зробіть висновок, екзотермічної або ендотермічної вона є:
Рішення. Випишемо з Прил. 1 значення стандартних ентальпій утворення речовин: