Продолжение изучение темы: Тепловой эффект

Химия 11 а класс

05.02.16 г

Тема: Тепловой эффект. Энтальпия. Термохимические уравнения

Тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.

Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества. Например:

2 H₂(г) + O₂(г) 2 H₂О(ж) + 572 кДж (горение водорода в кислороде)

2 H₂О(ж) + 572 кДж = 2 H₂(г) + O₂(г) (разложение воды электрическим током)

Закон Лавуазье–Лапласа является следствием закона сохранения энергии.

Второй закон термохимии был сформулирован в 1840 г российским химиком, академиком Г. И. Гессом:

# Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательных реакций будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и в конце этих рядов одни и те же исходные и конечные вещества.

Рассмотрим пример, поясняющий закон Гесса. Сульфат натрия Na₂SO₄ можно получить двумя путями из едкого натра NaOH. Один путь включает только одну стадию, а во второй - две стадии, с промежуточным получением кислой соли NaHSO₄:

Первый путь (одностадийный):
2 NaOH (водн) + H₂SO₄ (водн) = Na₂SO₄ (водн) + 2 H₂O (ж) + 113,6 кДж;

Второй путь (двухстадийный):
а) NaOH (водн) + H₂SO₄ (водн) = NaНSO₄ (водн) + H₂O (ж) + 34,9 кДж
б) NaHSO₄ (водн) + NaOH (водн) = Na₂SO₄ (водн) + H₂O (ж) + 78,7 кДж

Согласно закону Гесса, тепловой эффект получения сульфата натрия из NaOH не зависит от способа получения. Действительно, складывая тепловые эффекты двух последовательных реакций во втором способе мы получаем тот же тепловой эффект, что и для первого способа: 34,9 кДж + 78,7 кДж = 113,6 кДж¹. Кстати, почленное сложение двух последних уравнений дает первое уравнение реакции.

Именно эти два основных закона термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое сходство с математическими, когда в уравнениях реакций можно переносить члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать формулы химических соединений. При этом необходимо учитывать коэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые, вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковом агрегатном состоянии.

** Кому-то из вас интересно узнать, как экспериментально можно измерить тепловой эффект какой-нибудь химической реакции. Рассмотрим на примере экзотермической реакции между металлическим алюминием и оксидом железа. Для этой цели используют специальный прибор - калориметр. Представьте себе большую "кастрюлю", обернутую теплоизолирующим материалом, чтобы тепло не могло проникать сквозь стенки ни внутрь, ни наружу. Крышка прибора тоже теплоизолирована. В калориметр помещают лед и воду. Через некоторое время внутри прибора устанавливается постоянная температура: 0 ^оС. Воду можно выливать из калориметра через специальный кран, а взвешенный на весах лед добавлять, подняв крышку. Поместим в калориметр "бомбу" - герметичный сосуд, содержащий 5,40 г алюминиевой стружки и 15,97 г оксида железа (III): Fe₂O₃. Внутрь "бомбы" проведены провода, чтобы можно было с помощью электрической искры инициировать реакцию:

2 Al(тв) + Fe₂O₃(тв) = Al₂O₃(тв) + 2 Fe(тв) + Q кДж

Допустим, что к моменту начала реакции в калориметре находится 8,000 кг льда и 8,000 кг жидкой воды. После окончания реакции и остывания "бомбы" до 0 ^оС мы установили, что в калориметре находится 8,254 кг жидкой воды (и, соответственно, 7,746 кг льда). Таким образом, расплавилось 0,254 кг льда, теплота плавления которого составляет 335 Дж/г (или 335 кДж/кг). Следовательно, в реакции выделилось 0,254 кг ×335 кДж/кг = 85,1 кДж теплоты. Поскольку для эксперимента мы взяли ровно 0,2 моля Al и 0,1 моль Fe₂O₃ (посчитайте сами и убедитесь, что число молей пропорционально коэффициентам в уравнении реакции), то тепловой эффект исследуемой реакции в данных условиях составляет 851 кДж (реакция экзотермическая).

Чаще используют не ледяные калориметры, а более удобные – наполненные водой (рис. 9-4). В этом случае о количестве выделившейся теплоты судят по повышению температуры жидкости.

Рис. 9-4. Устройство водяного калориметра.

Количество теплоты Q = mc(t₂ - t₁), где m – масса воды в калориметре, c – её удельная теплоемкость, t₁ – температура воды до начала реакции и t₂ – температура воды по окончании реакции.

На анимированной схеме с сайта The Oxygen Bomb Calorimeter показан принцип работы такого калориметра. Автор этой анимации – проф. Г. Бертранд из университета Миссури.

Советуем посмотреть на этом сайте всю коллекцию анимаций, иллюстрирующую работу калориметра.

ЗАДАЧИ

9.1. (НГУ) Определите величину теплового эффекта реакции:

2 S + 3 O₂ = 2 SO₃

если известны тепловые эффекты реакций

а) S + O₂ = SO₂ + 297 кДж/моль

б) SO₂ + 0,5 O₂ = SO₃ + 396 кДж/моль

9.2. На основании двух термохимических уравнений определите, что устойчивее - алмаз или графит?

С (графит) + O₂ = СO₂ + 393,8 кДж

С (алмаз) + O₂ = СO₂ + 395,7 кДж

9.3.** (МГУ). Даны три уравнения химических реакций:

а) Ca (тв) + 2 H₂O (ж) = Ca(OH)₂ (водн) + H₂ (г) + 456,4 кДж

б) CaO (тв) + H₂O (ж) = Ca(OH)₂ (водн) + 81,6 кДж

в) H₂ (г) + 1/2 O₂ (г) = H₂O (ж) + 286 кДж

Определите тепловой эффект реакции: Ca (тв) + 1/2 O₂ (г) = CaO (тв) + Q кДж.