Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И.Ползунова»
И.Н.Охтеменко, О.И.Рубан, , Н.С.Дозорцева
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Методические указания к самостоятельной работе по курсу «Общая химия» для студентов первого курса нехимических специальностей всех форм обучения
Изд-во АлтГТУ
Барнаул 2007
УДК 546:681.3.06+536.7+541.124 (075.5)
Охтеменко И.Н. Химическая термодинамика. Методические указания к самостоятельной работе для студентов первого курса нехимических специальностей всех форм обучения / И.Н.Охтеменко, О.И.Рубан, , Н.С.Дозорцева; Алт. гос. техн. ун‑т им. И.И.Ползунова. – Барнаул: Изд‑во АлтГТУ, 2007. – 23с.
Методические указания содержат теоретический материал для самоподготовки, список рекомендуемой литературы, детальный разбор примеров, 30 вариантов заданий по данному разделу курса. Могут быть использованы студентами для самоподготовки и текущего контроля знаний.
Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры общей химии. Протокол №3 от 12.01.07.
Энергетика химических реакций
Любые химические реакции всегда сопровождаются теми или иными энергетическими эффектами: выделением или поглощением теплоты, света, совершением электрической или механической работы.
Раздел химии, изучающий превращения энергии в ходе химических реакций и способность систем выполнять полезную работу, называется химической термодинамикой.
Изучение химической термодинамики ставит перед собой следующие задачи:
Вычисление количества энергии, необходимого для протекания химической реакции или, наоборот, выделяющегося в ходе химической реакции;
Предсказание принципиальной возможности самопроизвольного протекания химической реакции при смешении реагентов.
1. Энтальпия и тепловые эффекты химических реакций
Для характеристики энергетического состояния системы используются термодинамические функции: энтальпия, энтропия и энергия Гиббса.
Энтальпия (Н)– термодинамическая функция, являющаяся мерой теплосодержания системы. Изменение энтальпии (ΔН) в ходе химической реакции равно тепловому эффекту данной реакции, измеренному при постоянном давлении.
Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими(для них изменение энтальпииΔН<0), а, реакции, сопровождающиеся поглощением тепла –эндотермическими (ΔН>0).
Изменение энтальпии зависит от условий протекания процесса. Таким образом, чтобы иметь возможность сравнивать ΔН для разных реакций, необходимо ввести понятие стандартного состояния.
Стандартное состояниесистемы предполагает равенство температур реагентов и продуктов реакции при постоянном давлении, равном 101,325кПа ( 1 атмосфера).
Большинство термодинамических параметров, в том числе и изменения энтальпии, определены при температуре 298 К (средняя комнатная температура). В дальнейшем для стандартных условий протекания реакции мы будем принимать давление 101,325 кПа и температуру 298 К.
Изменение энтальпии в ходе процесса, протекающего в стандартных условиях, называют стандартным изменением энтальпии и обозначаютΔНº298. Стандартное состояние отмечают верхним индексом„о”,а температуру в Кельвинах – нижним индексом“298”.
Химические уравнения, в которых записано изменение энтальпии (или тепловой эффект), называют термохимическими. В термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты, и обязательно указывается агрегатное состояние веществ. Важно отметить, что величинаΔНºТдолжна однозначно соответствовать конкретному химическому уравнению, например:
Н2 (г) + ½ O2 (г) = H2O(ж); ΔНº298. = – 286 кДж.
Эта запись указывает, что если один моль газообразного водорода Н2(г) соединяется с 0,5 моль газообразного кислородаO2(г), образуя один моль жидкой водыH2O(ж) при давлении 1 атмосфера и температуре 298 К, то такая реакция сопровождается изменением энтальпии, равным –286 кДж. Отрицательный знак изменения энтальпии означает, что реакция экзотермическая, т.е. происходит с выделением тепла. Если теперь ту же реакцию представить приведённым ниже уравнением, то изменение энтальпии этой реакции оказывается вдвое больше приведённого выше значения.
2 Н2 (г) + O2 (г) = 2 H2O(ж); ΔНº298. = – 572 кДж;
Изменение энтальпии может характеризовать с энергетической стороны не только реакцию, но и химическое соединение, полученное в этой реакции. Поскольку синтезировать одно и то же вещество можно различными способами, для термодинамической характеристики применяют реакцию, в которой реагентами являются простые вещества. Например:
3/2 Н2 (г) + Р (к) + 2 O2 (г) = H3PO4 (ж); ΔНº298 = – 1279 кДж.
С (графит) + ½ O2 (г) = СО (г); ΔНº298. = – 110,52 кДж.
Стандартная энтальпия образования вещества (ΔНºf) равна стандартному изменению энтальпии реакции получения 1 моль этого вещества из простых веществ.
Величины стандартных энтальпий образования сложных веществ приводятся в справочниках, для простых веществ ΔНºf, 298 = 0. Стандартная энтальпия образования вещества имеет размерность [ΔНºf] =кДж/моль. ЗначениеΔНºf может служить мерой устойчивости соединения: чем меньше значение энтальпии образования соединения, тем оно устойчивее.