Энтальпия
Большинство химических реакций, в частности реакции, протекающие в живых организмах, осуществляются при практически постоянном атмосферном давлении. Кроме того, реагирующая система нередко поглощает теплоту или отдает ее окружающей среде, так что температура системы остается постоянной. Например, сгорание сахара, представляющее собой экзотермический процесс, происходит в человеческом организме при постоянной температуре, приблизительно равной 370С. При обсуждении химических превращений, происходящих при постоянном давлении, удобно пользоваться термодинамическим понятием теплосодержания, или энтальпии,обозначаемым латинской буквой При протекании химической реакции энтальпии продуктов, вообще говоря, отличаются от энтальпий реагентов. Таким образом, переход от реагентов к продуктам сопровождается результирующим, суммарным, изменением энтальпии системы. Изменение энтальпии в произвольной реакции ( Если энтальпия продуктов меньше, чем энтальпия реагентов, величина Изменение энтальпии в результате химического или физического процесса проявляется различными способами. Например, ее можно обнаружить по выделению теплоты или света либо по поглощению теплоты; энергия, соответствующая изменению энтальпии, может, в частности, использоваться для получения электрической энергии, как, например, в электрических батареях; при выделении энергии в мышечных тканях может выполняться механическая работа. Следует иметь в виду, что изменение энтальпии в каком-либо процессе определяется просто указанием начального и конечного состояний системы. Изменение энтальпии не зависит от того, как проводится процесс – с выделением только теплоты или с частичным выделением теплоты и частичным совершением механической работы. Например, сгорание 1 моля метана, основного компонента природного газа, описывается уравнением СН4 (г.) + 2О2 (г.) → СО2 (г.) + 2Н2О (г.) (1.7) Это количество метана можно сжечь в сопле горелки, в результате чего выделится только теплота, или использовать как горючее для турбины, в которой сгорание метана приводит к одновременному выделению теплоты и совершению механической работы. Однако в любом случае изменение энтальпии системы, состоящей из 1 моля СН4 (г.) и 2 молей О2 (г.), оказывается одинаковым, если одинаково конечное состояние продуктов. В данной главе мы сосредоточим внимание на процессах, протекающих так, что сопровождающее их изменение энтальпии проявляется в виде выделения или поглощения теплоты. При отрицательном изменении энтальпии переход от реагентов к продуктам сопровождается уменьшением энтальпии и выделением теплоты. При положительном изменении энтальпии система поглощает теплоту, и процесс является эндотермическим. Вернемся к нашему примеру с горением метана (1.7). Экспериментально установлено, что при сгорании 1 моля метана СН4 выделяется 802 кДж теплоты, если процесс протекает при постоянном давлении. Этот факт можно записать следующим образом: СН4 (г.) + 2О2 (г.) → СО2 (г.) + 2Н2О (г.) Отрицательное значение
УПРАЖНЕНИЕ 1.1 Когда хлорат бария Ва(СlО3)2 помещают в воду при 250С, эта соль растворяется и температура раствора опускается ниже 250С. Является ли процесс растворения экзотермическим или эндотермическим? Какой знак имеет величина Решение:Понижение температуры раствора при растворении соли указывает на то, что процесс растворения идет с поглощением теплоты из окружающей среды. Следовательно, этот процесс эндотермический. Чтобы температура системы, состоящей из соли и воды, оставалась равной 25°С, к системе необходимо подводить тепло; следовательно, величина
УПРАЖНЕНИЕ 1.2 Какое количество теплоты выделяется при сгорании 4,50 г метана, если в системе поддерживается постоянное давление? Решение:Согласно уравнению (1.8), при сгорании одного моля СН4 выделяется 802 кДж. Моль СН4 имеет массу 16,0 г. Следовательно, выделяемое количество теплоты Нетрудно понять, что изменение энтальпии реакции равно по величине, но обратно по знаку изменению энтальпии обратной реакции. Например: СО2 (г.) + 2Н2О (г.) → СН4 (г.) + 2О2 (г.) Если бы при сгорании СН4 выделялось больше теплоты, чем в обратной реакции, этими процессами можно было бы воспользоваться для получения неограниченного количества энергии. Сжигая некоторое количество СН4, достаточно было бы лишь сохранить ту часть полученной энергии, которая необходима для восстановления СН4, а остальную часть использовать для получения полезной работы. После восстановления СН4 его можно было бы снова сжечь и повторять этот процесс до бесконечности, постоянно извлекая энергию. Разумеется, это противоречит всему нашему опыту – такой процесс не подчиняется закону сохранения энергии. Наблюдаемые в действительности энергетические соотношения для данного процесса схематически изображены на рис. 1.1. Изменение энтальпии реакции зависит также от состояния реагентов и продуктов. Если бы в реакции сгорания метана (1.8) вода была бы жидким, а не газообразным продуктом, то 2Н2О (г.) → 2Н2О (ж.)
Вот почему в уравнениях химических реакций необходимо указывать состояния реагентов и продуктов. Кроме того, обычно предполагается, что реагенты и продукты находятся при одинаковой температуре, как правило, равной 250С, если не указана другая температура.
|