Joomla Software solutions Template

Payday loan

Термохимия

Превръщането на едни вещества в други се нарича химична реакция (химичен процес). При нея става прегрупиране на градивните частици без да се променя вида на атомите. В хода на химичната реакция връзките в изходните вещества се разкъсват, след което се създават нови връзки – образуват се крайни продукти.

Химичните процеси протичат в съответствие със Закона за запазване на масата и Закона за запазване на енергията. 

Всяка химична реакция протича с отделяне или поглъщане на енергия – топлинна, светлинна, електрическа, звукова и др.

Например при горенето на магнезий се отделя ослепителна светлина, за процеса фотосинтеза е необходима слънчева светлина, получаването на негасена вар от варовик се извършва при висока температура, а при получаването на гасена вар се отделя топлина.

За характеризиране на енергетичните промени е необходимо да се дефинира понятието система – това е съвкупност от тела (вещества), които си взаимодействат и образуват единно цяло. Системите са изолирани, затворени и отворени. Отворените системи обменят маса и енергия с околната среда. Затворените системи не обменят вещество, но обменят енергия с околната среда. Изолираните системи не обменят маса и енергия с околната среда.

Всяко вещество се характеризира с определена вътрешна енергия (U). Абсолютната стойност на вътрешната енергия не може да се измери. Измерва се само изменението на вътрешната енергия (ΔU). Независимо под каква форма се отделя или поглъща енергия при химичните реакции тя се изразява като количество топлина.

Количеството топлина, което се отделя или поглъща при протичане на една химична реакция, при стандартни условия (Т=298° К, Р=1.10⁵ Ра) се нарича топлинен ефект на реакцията. Отбелязва се с Q и се измерва в J/mol или kJ/mol. Топлинният ефект зависи от природата, агрегатното състояние, алотропната модификация на веществата, от температурата, налягането и обема, при които протичат процесите. Той не зависи от скоростта на химичната реакция, от присъствието на катализатор и от концентрацията,

Разделът от химията, който изучава топлинните ефекти на химичните реакции се нарича термохими

В термохимията е прието топлината да бъде с положителен знак (+Q), когато процесът в една затворена система е свързан с отделяне на топлина и с отрицателен знак (-Q), когато се внася в системата 

В термохимията химичните реакции се изразяват с термохимични равенства, в които се означава топлинния ефект, агрегатното състояни и алотропната форма на веществата. Съставят се за 1mol от полученото вещество.

(г) – газ                                            (тв) – твъдо вещество

(т) – течност                                    (aq) – воден разтвор

H_2(г) + О_2(г) = H₂O_(г) + 242 kJ/mol

H_2(г) + О_2(г) = H₂O_(т) + 284 kJ/mol

C_{диамант} + О_2(г) = CO_2(г) + 396,9 kJ/mol

C_графит + О_2(г) = CO_2(г) + 394 kJ/mol

Химична реакция, която протича в затворена система с отделяне на топлина в околната среда се нарича екзотермична. Тя има положителен топлинен ефект (+Q). такива процеси са горенето на различни вещества, процесът дишане и др.

С_(тв) + О_2(г) = СО_2(г) + Q

2Н₂О_(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) + Q

S_(тв) + О_2(г) = SO_2(г) + Q

Химична реакция, при която системата поглъща топлина от околната среда се нарича ендотермична. Тя има отрицателен топлинен ефект (-Q). Такива процеси са получаването на негасената вар от варовик, хидролизата на мазнини и соли и др.

CaCO_3(тв) = CaO_(тв) + СО_2(г) - Q

N_2(г) + О_2(г) = 2NO_(г) – Q

2H₂O_(г) = 2Н_2(г) + О_2(г) – Q

При протичане на екзотермичните реакции вътрешната енергия на системата намалява. Продуктите на екзотермичните реакции са по бедни на енергия от изходните вещества, следователно са по – стабилни от тях.

При протичане на ендотермичните реакции вътрешната енергия на системата се увеличава. Продуктите на ендотермичната реакция са по – богати на енергия от изходните вещества и следователно са по – нестабилни.

Енергетична диаграма на а) – екзотермична, б) – ендотермична реакция.

В зависимост от вида на химичните реакции или физичния процес се говори за топлина на образуване, топлина на изгаряне, топлина на неутрализация, топлина на кондензация, топлина на кристализация и т.н.

Топлина на образуване е количеството топлина, което се отделя или поглъща при образуването на 1mol химично съединение от съответните прости вещества. При стандартни условия ( Т=25°С, Р=1.10⁵ Ра). Изразява се в kJ/mol и се нарича моларна топлина на образуване или стандартна топлина на образуване (Q°)

N_2(г) + О_2(г) = NO_(г) – 90 kJ/mol – топлина на образуване на азтотния оксид

H_2(г) + О_2(г) = Н₂О_(г) + 284 kJ/mol – топлина на образуване на водата

Топлините на образуване на простите вещества се приемат за нула. Когато химичният елемент съществува в няколко алотропни форми, нулева стойност има само тази, която е най – стабилна при стандартни условия.

Едно химично съединение е толкова по – стабилно, колкото топлината му на образуване има по – високи положителни стойности. Химични съединения с отрицателни стойности на топлините на образуване са нестабилни.

Стандартна топлина на изгаряне е количеството топлина, която се отделя при изгарянето на 1mol вещество в кислородна среда до висшите оксиди на съставящите го елементи при стандартни условия.

Топлината на изгаряне е важна характеристика за калоричността на горивата и храните. Понятието калоричност произлиза от калория – мерна единица за количество топлина (1кcal = 4,184 J). За горивата топлината на изгаряне се измерва спрямо 1kg (1g) твърдо (течно) гориво или 1m³ газообразно гориво.

 Закони в термохимията

Основен закон в термохимията е закона на Хес (1840г). Той е частен случай от закона за запазване на енергията и гласи:

Топлинният ефект на една химична реакция, която протича в затворена система зависи само от началното и крайното състояние на системата, но не и от междинните етапи на реакцията (реакционния път).

Например образуването на въглероден диоксид може да се осъществи по два реакционни пътя: чрез пряко изгаряне на въглерод до въглероден диоксид; чрез междинно образуване на въглероден оксид, който изгаря до въглероден диоксид.

I междинна реакция

С_графит + О_2(г) = СО_(г) + 110,5 kJ/mol   (Q₁)

II междинна реакция

СО_(г) + О_2(г) = СО_2(г) + 283 kJ/mol    (Q₂)

Директна реакция

С_графит + О_2(г) = СО_2(г) + 393,5 kJ/mol    (Q₃)

Съгласно закона на Хес топлинния ефект на директното получаване на въглероден диоксид е равен на сумата от топлинните ефекти на двата междинни етапа.

Q₃ = Q₁ + Q₂ = 110,5 kJ/mol + 283 kJ/mol + 393,5 kJ/mol

Законът на Хес се използва за изчисляване не топлинния ефект на реакции, при които измерването му е затруднено. В разгледания пример топлинния ефект на образуване на СО₂ не може да се измери опитно. Той се изчислява с помощта на реакционна схема или термохимични уравнения.

СО                                 С_графит + О_2(г) = СО_2(г) + 393,5 kJ/mol

Q₁ Q₂

С     Q₃ СО₂ СО_(г) + О_2(г) = СО_2(г) + 283 kJ/mol

С_графит + О_2(г) - СО_(г) - О_2(г) = СО_2(г) + 393,5 – СО_2(г) - 283 

Q₃ = Q₁ + Q₂ => Q₁ = Q₃ - Q₂

Топлината на образуване на дадено химично съединение от определени изходни вещества е равна по абсолютна стойност на топлината на разлагането му до същите изходни вещества. Тази зависимост е известна като закон на Лавоазие – Лаплас.

│+Q образуване│= │-Q разлагане│

От закона на Хес може да се изведе следното следствие:

Топлинният ефект на една химична реакция е равен на сумата на топлините на образуване (Q°) на продуктите минус сумата от топлините на образуване на изходните вещества умножени по броя на моловете, с които участват в реакцията. 

Например:

Fe₂O_3(тв) + 3С_графит = 2Fe_(тв) + 3СО_(г) + Q

Q = [(2Q° (Fe_(тв)) + 3Q° (CO_(г)) ] – [(Q° (Fe₂O_3(тв)) + 3Q° (C_графит) ]

Знаем, че:

Q° (Fe_(тв)) = 0       и       Q°( C_графит) = 0

Следователно:

Q = 3Q° (CO_(г)) - Q° (Fe₂O_3(тв))

Чрез закона на Хес се изчисляват и топлинния ефект на физичните процеси – изпарение, кондензация, алотропни превръщания, кристализация.

Например топлината на кондензация на водните пари може да се изчисли въз основа на уравненията:

H_2(г) + О_2(г) = H₂О_(т) + 284 kJ/mol     -     директна сумарна реакция

H_2(г) + О_2(г) = H₂О_(г) + 242 kJ/mol     -     междинна реакция

H₂O_(г) → Н₂О_(т) + Q₂ -     междинна реакция

Q₃ = Q₁ + Q₂ => Q₂ = Q₃ – Q₁

Q₂ = 284 kJ/mol – 242 kJ/mol = 42 kJ/mol

Топлинният ефект на превръщанет на графита в диамант може да се изчисли, ако се знаят топлинните ефекти на изгарянето им до СО₂.

С_графит + О_2(г) = СО_2(г) + 394,8 kJ/mol  (Q₃)

C_{диамант} + О_2(г) = CO_2(г) + 396,9 kJ/mol  (Q₂)

С_графит → C_{диамант} + Q₁

CO₂

С_графит C_{диамант}

Q₃ = Q₁ + Q₂ => Q₁ = Q₃ - Q₂

Q₁ = 394,8 – 396,9 = 2,1 kJ/mol

По своята същност термохимичните закони са следствие от закона за запазване на енергията, приложен за химичните реакции.