Термохимия: Часть 1

Видео

Конспект

Термохимия

Физическая химия.

Основные разделы физической химии:

Химическая термодинамика. Изучает энергию частиц, выделяемую или поглощаемую в ходе реакции. Главный вопрос: возможно ли протекание реакции?

Химическая кинетика. Изучает скорость реакции и время её протекания. Даже если реакция термодинамически возможна, её скорость может быть настолько малой, что она станет практически неосуществимой (например, если длится сотни лет).

Термохимия

Энтальпия реакции показывает изменение энергии системы (реакционной смеси). Если в ходе реакции тепло выделяется \Delta Q>0 ; система теряет такое же количество энергии \Delta H<0 . Таким образом, \Delta H=-\Delta Q .

Термохимическое уравнение реакции включает:

Теплоту реакции \Delta_{r} Q или изменение энтальпии \Delta_{r} H .

Указание агрегатного состояния веществ (так как энергия зависит от состояния: газ, жидкость, твёрдое тело).

C_{\text {графит }}+O_{2, \text { газ }}=C O_{2, \text { газ }} ; \Delta_{r} H=-393.5 \text { кДж/моль. } Расчёты в термохимии

Для реакции с 1 моль вещества:

\begin{gathered}

C_{\text {графит }}+O_{2, \text { газ }}=C O_{2, \text { газ }} ; \Delta_{r} H 1=-393.5 \text { кДж/моль; } \\

\Delta Q=\Delta_{r} Q_{1} \cdot v(C)=\frac{\Delta_{r} Q_{1} \cdot m(C)}{M(C)}=\frac{-\Delta_{r} H_{1} \cdot m(C)}{M(C)} .

\end{gathered}

Для реакции с несколькими молями:

2 C_{\text {графит }}+O_{2, \text { газ }}=2 C O_{\text {газ }} ; \Delta_{r} H_{2}=-221 \text { кДж } / \text { моль; } Теплота указана на 1 моль реакции (т.е. на 2 моль углерода и 1 моль кислорода).

\Delta Q=\Delta_{r} Q_{2} \cdot \frac{v(C)}{2}=\frac{\Delta_{r} Q_{2} \cdot m(C)}{2 M(C)}=\frac{-\Delta_{r} H_{2} \cdot m(C)}{2 M(C)} . Закон Гесса.

Энтальпия - это термодинамическая величина, которая является функцией состояния, то есть зависит только от начального и конечного состояния системы, но не от пути реакции. Следствием этого для химии является закон Гесса: тепловой эффект реакции не зависит от её пути, а определяется только начальными и конечными продуктами.

Например, если графит сгорает до CO_{2} напрямую или в две стадии с промежуточным образованием CO , изменение энтальпии будет одинаковым.

Энергия связи.

Энергия связи - энергия, необходимая для разрыва 1 моль связей в газообразном состоянии. При разрыве связи энергия поглощается: \Delta H>0 . При образовании связи энергия выделяется: \Delta H<0 .

Для расчёта энтальпии реакции нужно сложить энергии всех разрываемых связей и вычесть энергии образующихся связей:

\begin{gathered}

H_{2, \text { газ }}+Cl_{2, \text { газ }}=2 HCl_{\text {газ }} \\

\Delta_{r} H=E_{\text {св }}(H-H)+E_{\text {св }}(Cl-Cl)-2 E_{\text {св }}(H-Cl) .

\end{gathered} В случае кратных связей нужно использовать правильные значения. Например, при разрыве молекулы N_{2} учитывается одна тройная связь, а не три одинарных:

\begin{gathered}

N_{2, \text { газ }}+3 H_{2, \text { газ }}=2 NH_{3, \text { газ }} ;\\

\Delta_{r} H=E_{\text {св }}(N \equivN)+3 E_{\text {св }}(H-H)-6 E_{\text {св }}(N-H) .

\end{gathered} В случае твёрдых веществ используют энергию атомизации - энергию, необходимую для разрушения кристаллической решетки и получения свободных атомов в газовой фазе.

\begin{gathered}

C_{\text {графит }}+O_{2, \text { газ }}=CO_{2, \text { газ }} ; \\

\Delta_{r} H=E_{\text {атом. }}(C)+E_{\text {св }}(O=O)-2 E_{\text {св }}(C=O) .

\end{gathered} Энтальпия сгорания.

Энтальпия сгорания \left(\boldsymbol{\Delta}_{\boldsymbol{c}} \boldsymbol{H}\right) - это тепловой эффект реакции полного сгорания 1 моль вещества в стандартных условиях.

Примеры: C_{6} H_{6, \text { жидк. }}+7.5 O_{2, \text { газ }}=6 C O_{2, \text { газ }}+3 H_{2} O_{\text {жидк. }} ; \Delta_{c} H\left(C_{6} H_{6}\right)-\text { энтальпия сгорания бензола; }

C_{6} H_{12, \text { жидк. }}+9 O_{2, \text { газ }}=6 C O_{2, \text { газ }}+6 H_{2} O_{\text {жидк. }} ; \Delta_{c} H\left(C_{6} H_{12}\right)-\text { энтальпия сгорания циклогексана; } H_{2, \text { газ }}+0.5O_{2, газ}=H_{2} O_{\text {жидк. }} ; \Delta_{c} H\left(H_{2}\right) - энтальпия сгорания водорода. Для CO_{2, \text { газ }} и H_{2} O_{\text {жидк}} энтальпия сгорания равна нулю, так как они являются конечными продуктами горения.

Любую реакцию можно разбить на две стадии. Сначала сжигают реагенты, а потом из полученных оксидов получают продукты. Согласно закону Гесса, энтальпия этих стадий равна энтальпии реакции:

\Delta_{r} H=\sum \Delta_{c} H(\text { реагенты })-\sum \Delta_{c} H(\text { продукты }) . Реакция гидрирования бензола:

\begin{gathered}

C_{6} H_{6, \text { жидк. }}+3 H_{2, \text { газ }}=C_{6} H_{12, \text { жикд. }} ; \\

\Delta_{r} H=\Delta_{c} H\left(C_{6} H_{6}\right)+3 \Delta_{c} H\left(H_{2}\right)-\Delta_{c} H\left(C_{6} H_{12}\right) .

\end{gathered}