1.5 Теплоты образования

Пользуясь первым законом термодинамики, можно вычислить изменения энтальпии многих реакций по нескольким табулированным значениям. Множество данных подобного типа удобно суммировать в виде стандартных теплот образования. Теплота образования соединения – это изменение энтальпии, происходящее при образовании одного моля данного соединения из составляющих его элементов. Изменение энтальпии называется стандартным , когда все реагенты и продукты находятся в ихстандартных состояниях. Другими словами, все вещества находятся при этом в наиболее устойчивой форме при заданной температуре и нормальном атмосферном давлении. При составлении таблиц температуру обычно выбирают равной 25⁰С. Например, стандартная теплота образования этанола С₂Н₅ОН есть изменение энтальпии следующей реакции:

2С (графит) + 3Н₂ (г.) + 1/2О₂ (г.) → С₂Н₅ОН (ж.) (1.11)

Элемент кислород представляет собой О₂, а не О или О₃, поскольку О₂ является устойчивой формой кислорода при 25⁰С и нормальном атмосферном давлении. Аналогично в качестве элемента углерода указан графит, а не алмаз, поскольку первый из них является наиболее устойчивой формой (обладает минимальной энергией) при 25⁰С и нормальном атмосферном давлении. Превращение графита в алмаз требует затраты энергии, как это следует из уравнения (1.12):

С (графит) → С (алмаз) = 1,88 кДж(1.12)

В табл. 1.1 приведены стандартные теплоты образования некоторых соединений: по определению, стандартная теплота образования наиболее устойчивой формы любого элемента равна нулю.

По стандартным теплотам образования можно вычислять стандартные изменения энтальпии любых реакций. С этой целью следует просуммировать теплоты образования всех продуктов реакции, умножив каждую молярную теплоту образования на коэффициент, который стоит перед данным веществом в полном уравнении реакции, а затем вычесть из полученной суммы аналогичную сумму теплот образования всех реагентов. Например, стандартное изменение энтальпии для реакции горения глюкозы, описываемой уравнением (1.13), определяется уравнением (1.14):

С₆Н₁₂О₆ (тв.) + 6О₂ (г.) → 6СО₂ (г.) + 6Н₂О (ж.) (1.14)

_{реакции}=[6×(СО₂)+6×(Н₂О)] - [(С₆Н₁₂О₆)+6×(О₂)]

Пользуясь данными о теплотах образования (Правильнее говорить не «теплоты образования», а «изменения энтальпии образования». Тем не менее, принято пользоваться более общим термином - «теплоты образования»), приведенными в табл. 1.1. получаем для рассматриваемого процесса: _{реакции} = [(6 моль СО₂ ) × (- 393,5 кДж/моль СО₂) + (6 моль Н₂О)×(- 285,9 кДж/моль Н₂О)] - [(1 моль С₆Н₁₂О₆) × (- 1260кДж/моль С₆Н₁₂О₆) + (6моль О₂) × (0 кДж/моль О₂)] = - 2816 кДж.

ТАБЛИЦА 1.1

Стандартные теплоты образования при 25⁰С

Вещество	Формула	кДж/моль	Вещество	Формула	кДж/моль
Алмаз	С (тв.)	1,88	Метан	СН4(г)	-74,85
Аммиак	NH3 (г.)	-4619	Метанол	СН3ОН(ж)	-238,6
Ацетилен	С2Н2 (г.)	226,7	Моноксид углерода	СО(г)	-11,5
Бензол	С6Н6 (ж.)	49,04	Оксид кальция	СаО(тв)	-635,5
Бикарбонат натрия	NaHCO3 (тв.)	-947,7	Сахароза	С12Н22О11(тв)	-2221
Бромид водорода	НВr (г.)	-36,23	Фторид водорода	HF(г)	-268,6
Вода	Н2О (ж.)	-285,8	Хлорид натрия	NaCl(тв)	-411,0
Водяной пар	Н2О (г.)	-241,8	Хлорид серебра	AgCl(тв)	-127,0
Глюкоза	С6Н12О6 (тв.)	-1260	Хлорид водорода	НСl(г)	-92,30
Диоксид углерода	СО2 (г.)	-393,5	Этан	С2Н6(г)	-84,68
Иодид водорода	НI (г.)	25,9	Этанол	С2Н5ОН(ж)	-277,7
Карбонат кальция	СаСО3 (тв.)	-1207,1	Этилен	С2Н4(г)	52,30
Карбонат натрия	Na2CO3 (тв.)	-1130,9	Сульфат меди	СuSО4(тв.)	-771,4

Иллюстрируемое уравнением (1.14) общее правило непосредственно следует из того, что является функцией состояния. Это позволяет вычислить изменение энтальпии любой реакции по энергиям, требуемым для превращения исходных реагентов в элементы, а затем для превращения этих элементов в продукты реакции.

Рис. 1.3. Путь реакции горения глюкозы.

Подобный путь реакции горения глюкозы схематически изображен на рис.1.3. Поскольку является функцией состояния,. Заметим, что = -(С6Н12О6), а = 6×(Н2О) + 6×(СО2). Этот результат совпадает с результатом, указанным в уравнении (1.14).

УПРАЖНЕНИЕ 1.5

Сравните количество теплоты, образующееся при сгорании 1,00 г глюкозы С₆Н₁₂О₆, с количеством теплоты, которое выделяется при сгорании 1,00 г сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁.

Решение: Пример, разобранный в тексте, показывает, что при сгорании одного моля глюкозы = - 2816 кДж. Молекулярная масса глюкозы равна 180 а. е. м. Следовательно, теплота, выделяемая в расчете на грамм глюкозы, должна быть равна(- 2816 кДж/моль) × (1 моль/180 г) = - 15,6 кДж/г. Для сахарозы находим:

С₁₂Н₂₂О₁₁ (тв.) + 12СО₂ (г.) → 12О₂ (г.) + 11Н₂О (ж.)

_{реакции} = [12×(СО₂)+11×(H₂O)] – [× (C₁₂H₂₂O₁₁) + +12×(О₂) = 12×(-393,5 кДж) + 11×(-285,9 кДж) - (-2221 кДж) =

= (-4722 – 3145+2221) кДж = - 5646 кДж/моль С₁₂Н₂₂О₁₁.

Молекулярная масса сахарозы равна 342 а.е.м. Следовательно, теплота, выделяемая при сгорании 1 г сахарозы, должна быть равна (- 5646 кДж/моль)(1 моль/342 г) = -16,5 кДж/г.

Сахароза и глюкоза относятся к классу соединений, называемых углеводами. При сгорании любого углевода выделяется приблизительно одинаковое количество энергии – примерно 17 кДж (иначе, 4 ккал, или 4 Кал).

УПРАЖНЕНИЕ 1.6

Стандартное изменение энтальпии реакции СаСО₃ (тв.) → СаО (тв.) + СО₂ (г.) равно 178,1 кДж. По стандартным теплотам образования, приведенным в табл. 1.1, вычислите стандартную теплоту образования СаСО₃ (тв.).

Решение: Стандартное изменение энтальпии данной реакции можно записать следующим образом:

_{реакции} = [(СаО) +(СО₂)] – (CаСО₃)

Подставляя сюда известные значения, получим:

178,1 кДж = - 635,5 кДж – 393,5 кДж - (СаСО₃)

(СаСО₃) = - 1207,1 кДж/моль