1.2. Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций. Закон Гесса.
1. Что такое термохимия? Что она изучает? Какой закон термохимии называется основным? Каковы следствия из него? Дайте формулировки и приведите примеры их использования на практике.
Термохимия - раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций и фазовых превращений.
Теплота равная термодинамическим функциям состояния сама является термодинамической функцией состояния и, следовательно, не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Этот закон был установлен в 1841 г. русским акад. Г.И. Гессом.
Закон Гесса — основной закон термохимии, который формулируется следующим образом: Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.
а)тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье — Лапласа).
б)тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования (ΔHf) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):
в)тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔHc) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):
2. Сформулируйте закон Гесса. Какие следствия из него вытекают? Для каких определений они используются в термохимических расчетах?
Закон Гесса — основной закон термохимии, который формулируется следующим образом: Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.
а)тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье — Лапласа).
б)тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования (ΔHf) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):
в)тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔHc) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν):
Использование закона Гесса позволяет рассчитать энергию ионной кристаллической решетки при известных значениях энтальпий других стадий процесса.
3. Что называют тепловым эффектом реакции? Как различаются реакции по тепловым эффектам? Как можно проиллюстрировать это с помощью энергетических (энтальпийных) диаграмм? Чем отличается термохимическая и термодинамическая система знаков для тепловых эффектов реакций?
Тепловой эффект химической реакции (изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции) — отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.
Практически важны два типа тепловых эффектов реакции -изотермо-изобарный и изотермо-изохорный.
В настоящее время наряду с существовавшей ранее термохимической шкалой широко используется термодинамическая шкала, которая учитывает изменение внутренней энергии системы. В термохимической и термодинамической шкале знаки противоположны.
4. В каких случаях уравнения химических реакций называют термохимическими? Почему в них иногда имеются дробные коэффициенты? Какие операции можно совершать с термохимическими уравнениями отдельных стадий процесса?
Термохимические уравнения реакций - это уравнения, в которых около символов химических соединений указываются агрегатные состояния этих соединений или кристаллографическая модификация и в правой части уравнения указываются численные значения тепловых эффектов.
Если теплоту реакции отнести к 1 моль определенного вещества, то в термохимическом уравнении некоторые стехиометрические коэффициенты могут быть дробными.
Используя закон Гесса и следствия из него и производя различные алгебраические действия стермохимическими уравнениями реакций, для которых известны тепловые эффекты, можно рассчитывать тепловые эффекты таких реакций, для которых еще е имеется опытных данных.
5.Что называют энтальпией химической реакции? Как ее можно рассчитать? Почему при расчетах энтальпий реакций пользуются стандартными энтальпиями образования веществ?
Энтальпия (тепловая функция, теплосодержание) — термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц. Энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении.
Зная свободную энергию и энтропию, можно вычислить энтальпию. Свободная энергия, или энергия Гиббса, представляет собой часть энтальпии системы, затраченную на превращение в работу, и равна разности энтальпии и температуры, умноженной на энтропию:
ΔG=ΔH-TΔS (ΔH, ΔG, ΔS - приращения величин)
Энтальпия также рассчитывается исходя из уравнения химической реакции. Если дано уравнение химической реакции вида A+B=C, то энтальпию можно определить по формуле: dH=dU+ΔnRT, где Δn=nk-nн (nk и nн - число молей продуктов реакции и исходных веществ)
При изобарном процессе энтропия равна изменению теплоты в системе: dq=dH.
При постоянном давлении энтальпия равна: H=∫СpdT
В случае, если энтальпийный и энтропийный факторы уравновешивают друг друга, приращение энтальпии равно произведению температуры на приращение энтропии: ΔH=TΔS
Обычно пользуются стандартными изменениями энтальпии, так как большинство реакций протекает при постоянном давлении, а в этом случае тепловой эффект реакции равен изменению энтальпии.
6. Какие условия состояния системы принимают в термодинамике в качестве стандартных? Какими символами их обозначают?
Стандартные состояния — в химической термодинамике условно принятые состояния индивидуальных веществ и компонентов растворов при оценке термодинамических величин.
Для газовой фазы — это (предполагаемое) состояние химически чистого вещества в газовой фазе под стандартным давлением 100 кПа (до 1982 года — 1 стандартная атмосфера, 101 325 Па, 760 мм ртутного столба), подразумевая наличие свойств идеального газа.
Для беспримесной фазы, смеси или растворителя в жидком или твёрдом агрегатном состоянии — это состояние химически чистого вещества в жидкой или твёрдой фазе под стандартным давлением.
Для раствора — это (предполагаемое) состояние растворённого вещества со стандартной моляльностью 1 моль/кг, под стандартным давлением или стандартной концентрации, исходя из условий, что раствор неограниченно разбавлен.
Для химически чистого вещества — это вещество в чётко определённом агрегатном состоянии под чётко определённым, но произвольным, стандартным давлением.
7. Что такое стандартное состояние вещества? Что понимают под стандартными энтальпиями образования веществ? В каких единицах выражают? Где приводятся эти величины? Какую информацию они могут дать?
Стандартные состояния — в химической термодинамике условно принятые состояния индивидуальных веществ и компонентов растворов при оценке термодинамических величин.
Стандартные энтальпии образования соответствуют реакциям образования, при которых и простые вещества, и получающееся соединение находятся при давлении 1 атм (1,01 x 105 Па). По определению, для всех простых веществ при любой температуре. Для большинства хим. соединений энтальпия образования- отрицательные величины.
Единицы измерения энтальпии образования - Дж/г, Дж/моль