Тепловой эффект химической реакции
—————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————— | Район | Температура воздуха, °С | Сумма средних | | | |суточных температур | | | | за | | |———————————————————————————————————————————————————————————————————| период со средней | | | абсолютная | наиболее холодных суток | наиболее холодной | суточной | | | минимальная | обеспеченностью |пятидневки обеспеченностью| температурой | | | |—————————————————————————|——————————————————————————| | | | | 0,98 | 0,92 | 0,98 | 0,92 | воздуха <= 8°С | |—————————————————————|——————————————|—————————————|———————————|————————————|—————————————|————————————————————| |Наименее суровые | -35 | -28 | -25 | -25 | -23 | -743 | |условия | -51 | -43 | -40 | -38 | -36 | -2780 | |—————————————————————|——————————————|—————————————|———————————|————————————|—————————————|————————————————————| |Суровые условия | -45 | -40 | -39 | -38 | -36 | -2138 | | | -60 | -53 | -51 | -51 | -49 | -5678 | |—————————————————————|——————————————|—————————————|———————————|————————————|—————————————|————————————————————| |Наиболее суровые | -54 | -50 | -49 | -47 | -46 | -3199 | |условия | -71 | -63 | -62 | -62 | -61 | -7095 | |——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————| | Примечание - Первая строка - максимальные значения, вторая строка - минимальное значения. | | | ——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
Введение Тепловые эффекты химических реакций необходимы для многих технических расчетов. Они находят обширное применение во многих отраслях промышленности, а также в военных разработках. Мы рассмотрим некоторые варианты тепловых эффектов, и выясним насколько важно использование тепловых эффектов химических реакций в условиях развития современных технологий. Тепловой эффект химической реакции В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела. Одним из самых известных ученых, работающих в области термохимии, является Бертло. Бертло- профессор химии Высшей фармацевтической школы в Париже (1859г). Министр просвещения и иностранных дел. Начиная с 1865 Бертло активно занимался термохимией, провел обширные калориметрические исследования, приведшие, в частности, к изобретению "калориметрической бомбы" (1881); ему принадлежат понятия "экзотермической" и "эндотермической" реакций. Бертло получены обширные данные о тепловых эффектах огромного числа реакций, о теплоте разложения и образования многих веществ. Бертло исследовал действие взрывчатых веществ: температуру взрыва, скорости сгорания и распространения взрывной волны и др. Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется затратить энергию. Когда химическая связь образуется, энергия выделяется. Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других. Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии больше, чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты. Такие реакции являются экзотермическими. Реакции, протекающие с выделением теплоты, проявляют положительный тепловой эффект (Q>0, DH<0) и называются экзотермическими (рис. 1-1а). В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются эндотермическими. Реакции, которые идут с поглощением теплоты из окружающей среды (Q<0, DH>0), т.е. с отрицательным тепловым эффектом, являются эндотермическими. Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании. (рис. 1-1б). Рис. 1-1а
Рис. 1-1б
Рис. 1-1а,б.Изображение химических реакций при помощи моделей молекул: а)экзотермическая реакция, б) эндотермическая реакция. Модели наглядно показывают, как при неизменном числе атомов между ними разрушаются старые и возникают новые химические связи. Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект - количество теплоты, выделившееся или поглощенное химической системой при протекании в ней химической реакции. Тепловой эффект обозначается символами Q или DH (Q = -DH). Его величина соответствует разности между энергиями исходного и конечного состояний реакции: DH = Hкон.- Hисх. = Eкон.- Eисх. Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ.Встречаются также обозначения (тв) или (к) - твердое, кристаллическое вещество, (водн) - растворенное в воде вещество и т.д. Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение. Например, в реакции сгорания водорода первоначально образуется вода в виде пара (газообразное состояние), при конденсации которого может выделиться еще некоторое количество энергии. Следовательно, для образования воды в виде жидкости измеренный тепловой эффект реакции будет несколько больше, чем для образования только пара, поскольку при конденсации пара выделится еще порция теплоты. Используется также частный случай теплового эффекта реакции - теплота сгорания. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит для характеристики вещества, применяемого в качестве топлива. Теплоту сгорания относят к 1 молю вещества, являющегося топливом (восстановителем в реакции окисления), например:
Ацетилен теплота сгорания ацетилена запасенную в молекулах энергию (Е) можно отложить на энергетической шкале. В этом случае тепловой эффект реакции (? Е) можно показать графически. Графическое изображение теплового эффекта (Q =? Е): а) экзотермической реакции горения водорода; б)эндотермической реакции разложения воды под действием электрического тока. Координату реакции (горизонтальную ось графика) можно рассматривать, например, как степень превращения веществ (100% - полное превращение исходных веществ).
|
