Тепловой эффект

Что такое тепловой эффект химической реакции

В процессе химических реакций может выделяться или поглощаться тепло.

Эндотермическими реакциями являются нормальные процессы, сопровождающиеся поглощением теплоты. В этом случае теплота Q обозначается со знаком «-».

Химические реакции сопровождаются некоторыми численными закономерностями. С их помощью можно определить знак, которому соответствует тепловой эффект. К данным закономерностям относят:

1. Экзотермические реакции, протекающие самопроизвольно, запускаются с помощью инициации, включая нагрев и другие действия. Примером таких процессов является произвольное горение угля после поджига: \(C+O_{2} = CO_{2} + Q\)
2. Устойчивые вещества образуются из простых веществ в результате экзотермических реакций, а реакции разложения обычно являются эндотермическими. Примером является распад нитрата калия, сопровождающийся поглощением тепла: \(2KNO_{3}\rightarrow 2KNO_{2} + O_{2}-Q\)
3. Более устойчивые вещества образуются из менее устойчивых, как правило, в процессе экзотермических реакций. Справедливо и обратное утверждение: более устойчивые вещества образуются из менее устойчивых, тепло при этом поглощается. Устойчивость определяют приблизительно, исходя из активности и стабильности вещества в обычных условиях. В привычном мире нас окружают в большинстве своем относительно устойчивые вещества. В качестве примера можно рассмотреть процесс горения аммиака, при котором активные неустойчивые вещества взаимодействуют между собой, что сопровождается образованием устойчивых веществ, а именно, азота и воды. Экзотермическая реакция будет записана в таком виде: \(4NH_{2} + 3O_{2} \rightarrow 2N_{2} + 6H_{2}O + Q\)

Обозначить количество теплоты можно буквой Q. Величина измеряется в кДж (килоджоули) или Дж (джоули). Теплота, которая выделяется во время реакции, пропорциональна количеству вещества, с помощью которого запущена реакция.

Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции

Понятие стандартной теплоты образования используют для обозначения теплового эффекта реакции, при которой образуются один моль вещества из простых веществ, его составляющие, характеризующиеся устойчивыми стандартными состояниями. К примеру, стандартной энтальпией образования 1 моля метана из углерода и водорода является тепловой эффект реакции:

\(C+2H_{2}=CH_{4}+74,9\) кДж/моль

Обозначением стандартной энтальпии образования является \(\Delta H^{0}_{f}\)

Энтальпия образования простых веществ имеет нулевое значение. При этом данное условие соответствует агрегатному состоянию, сохраняющему стабильность при температуре 298.15 К.

Тепловой эффект какой-либо реакции рассчитывают, как параметр, равный разнице суммы теплоты образования всех продуктов и суммы теплоты образования всех реагентов в этой реакции, согласно закону Гесса.

Формула выглядит следующим образом:

\(\Delta H_{R}^{0}=\sum{\Delta H^{0}_{f}}_{p}-\sum{\Delta H^{0}_{f}}_{r}\)

Термохимические эффекты включают в химические реакции.

Если реакция сопровождается выделением теплоты во внешнюю среду, и тепловой эффект характеризуется отрицательным значением, то такая реакция относится к экзотермическому типу. При наблюдении положительного теплового эффекта и поглощения тепла реакции называют эндотермическими. Тепловой эффект, как правило, относится к одному молю прореагировавшего исходного вещества с максимальным стехиометрическим коэффициентом.

При известных мольных теплоемкостях веществ, которые участвуют в реакции, можно определить, какова температурная зависимость энтальпии реакции. Если температура от Т₁ до Т₂ увеличивается, то изменение энтальпии реакции необходимо рассчитывать, согласно закону Кирхгофа. При этом данный интервал температур не предполагает зависимость от температуры, а фазовые превращения отсутствуют. Уравнение имеет следующий вид:

\(\Delta H(T_{2})=\Delta H(T_{1})+\int_{1}^{2}{\Delta C_{p}(T_{1},T_{2})d(T)}\)

При наблюдении фазовых превращений в данном температурном интервале, расчет выполняют с учетом теплоты соответствующих превращений и изменения температурной зависимости теплоемкости веществ, подвергшимся таким превращениям:

\(\Delta H(T_{2})=\Delta H(T_{1})+\int_{1}^{T_{\varphi }}{\Delta C_{p}(T_{1},T_{\varphi })d(T)}+\int_{T_{\varphi }}^{2}{\Delta C_{p}(T_{\varphi },T_{2})d(T)}\)

где \(\Delta C_{p}(T_{1},T_{\varphi })\) является изменением теплоемкости в температурном интервале от Т₁ до фазового перехода, \(\Delta C_{p}(T_{\varphi },T_{2})\) представляет изменение теплоемкости в температурном интервале от фазового перехода до конечных показателей, \(T_{\varphi }\) является температурой фазового перехода.

Закон Кирхгофа для теплового эффекта, уравнение

С помощью уравнения Кирхгофа, которое вытекает из вышеизложенной закономерности, выполняют расчет теплового эффекта при разных температурных показателях. В дифференциальной форме закон записан таким образом:

\(\left(\frac{d(\Delta _{r}H)}{dT} \right)_{p}=\Delta _{r}C_{p}\)

\(\left(\frac{d(\Delta _{r}U)}{dT} \right)_{V}=\Delta _{r}C_{V}\)

В форме интеграла закон Кирхгофа обладает следующим видом:

\(\Delta _{r}H_{T_{2}}=\Delta H_{T_{1}}+\int_{T_{1}}^{T_{2}}{\Delta _{r}C_{p}(T)dT}\)

\(\Delta _{r}U_{T_{2}}=\Delta U_{T_{1}}+\int_{T_{1}}^{T_{2}}{\Delta _{r}C_{V}(T)dT}\)

где \(C_{p}\) и \(C_{V}\) являются изобарной и изохорной теплоемкостью; \(\Delta _{r}C_{V}\) представляет собой разницу изохорных теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ; \(\Delta _{r}C_{p}\) — разность изобарных теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ; соответствующими тепловыми эффектами являются \(\Delta _{r}H\) и \(\Delta _{r}U.\)

Если разность Т₂-Т₁ не отличается большими значениями, то \(\Delta _{r}C_{p}=const\) и \(\Delta _{r}C_{V}=const\)

В этом случае интегральная форма уравнения будет записана в таком виде:

\(\Delta _{r}H_{T_{2}}=\Delta H_{T_{1}}+\Delta _{r}C_{p}(T_{2}-T_{1})\)

\(\Delta _{r}U_{T_{2}}=\Delta U_{T_{1}}+\Delta _{r}C_{V}(T_{2}-T_{1})\)

Если разница между температурами достаточно большая, то требуется учитывать такие температурные зависимости теплоемкостей:

\(\Delta _{r}C_{p}=f(T)\)

\(\Delta _{r}C_{V}=f(T)\)

Термохимическое уравнение, как делать расчеты

При решении задач по термохимии использую термохимические уравнения. В данных формулах записывают реакции с количеством тепла, которое выделилось в процессе реакции на число моль вещества в соответствии с коэффициентами в уравнении.

В качестве примера можно рассмотреть термохимическое уравнение, соответствующее процессу сгорания водорода:

\(2H_{2}+O_{2}=2H_{2}O+ 484\) кДж,

Данная формула демонстрирует высвобождение 484 кДж тепла в процессе сгорания 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Следует отметить образование 2 моль воды, что сопровождается выделение 484 кДж тепла.

Наглядным примером является процесс сгорания алюминия, представить который можно таким образом:

\(2Al+\frac{3}{2}O_{2} \rightarrow Al_{2}O_{3}+1675\) кДж

Теплота, которая выделяется при образовании оксида алюминия, составляет 1675 кДж/моль. Записать термохимическую формулу, исключая дробные коэффициенты, можно в таком виде:

\(4Al+3O_{2} \rightarrow 2Al2O_{3} + 3350\) кДж

Теплота, которая характерна для образования оксида алюминия, составит 1675 кДж/моль. Это объясняется с помощью теплового эффекта образования 2 моль оксида алюминия, который учтен в термохимическом уравнении.

Примером такого явления служит горение метана:

\(CH_{4} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O + 802\) кДж

В этом случае теплота сгорания метана составит 802 кДж/моль.

Примеры решения задач

Задача 1

По итогу реакции, термическая формула которой записана таким образом:

\(N_{2}+O_{2}\rightarrow2NO-180\)

образовано 98 л (н.у.) оксида азота (II). Требуется определить количество теплоты, затраченное на эту реакцию в кДж. Искомое значение можно записать с точностью до целых.

Решение

Согласно термическому уравнению, для образования 2 моль оксида азота (II) необходимо затратить 180 кДж тепла. 2 моль оксида азота при н.у. в объеме составляют 44.8 л. Для поиска решения целесообразно воспользоваться простой пропорцией:

• получить 44,8 л оксида азота (II) можно с помощью 180 кДж тепла;
• для образования 98 л оксида азота требуется х кДж теплоты.

Таким образом:

х = 180 * 98 / 44.8 = 393.75 кДж.

Если округлить значение до целых, то Q = 394 кДж.

Ответ: количество теплоты, которое потратили на реакцию, составляет 394 кДж.

Задача 2

По итогам реакции, термохимическая формула которой имеет вид:

\(2H_{2}+O_{2}=2H_{2}O+ 484\) кДж

было высвобождено 1452 кДж тепла. Требуется найти массу выделившейся в процессе реакции воды в граммах. Запись числа рекомендуется округлить до целых.

Решение

Согласно термохимическому уравнению, в процессе образования 2 моль воды будет образовано 484 кДж тепла. Масса 2 моль воды составляет 36 грамм. Простая пропорция:

• во время формирования 36 грамм воды будет выделено 484 кДж тепла;
• в процессе образования х грамм воды высвободится 1452 кДж теплоты.

В таком случае:

х = 1452 * 36 / 484 = 108 г.

\(m(H_{2}O)=108\) г.

Ответ: в процессе реакции будет выделено 108 грамм воды.

Задача 3

Во время реакции, которая характеризуется следующим термохимическим уравнением:

\(S+O_{2}=SO_{2}+ 296\) кДж

было затрачено 80 грамм серы. Требуется рассчитать количество теплоты, выделяющееся во время реакции в кДж. Конечный результат допускается округлить до целых.

Решение

Исходя из термохимического уравнения, в процессе сгорания 1 моль серы будет выделено 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы составляет 32 грамма. Для расчетов можно записать простую пропорцию:

• сгорание 32 грамм серы сопровождается выделением 296 кДж теплоты;
• сгорание 80 грамм серы сопровождается выделением х кДж теплоты.

Таким образом:

х = 80 * 296 / 32 = 740 кДж

Q = 740 кДж.

Ответ: во время химической реакции будет образовано 740 кДж теплоты.