WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 24 |

Естественно, что вещества в этом Нгаз газ процессе нагревания изменили и свое энергосодержание. При этих превращениях изменилась и внутренняя энергия сисНиспарения темы, и ее объем. Весь этот запас энергии =Нгаз - Нж системы при комнатной температуре и Нжид.

включает в себя понятие энтальпии. КстаНплавления= ти, слово энтальпия греческого происхожНкристалл Нж – Нкрис.

дения и в переводе обозначает «нагреваться».

Рис. 8. Изменение энергосодержаНа рисунке 8 представлено схематиния вещества при нагревании ческое изображение изменения энергосодержания вещества при постоянном давлении и нагревании, а на рис. 9 зависимость энтальпии свинца от температуры1.

Так как при нагревании веществ системы Н, при постоянном давлении происходит ••• •••••••• увеличение их объема, то понятие эн- кДж/ моль тальпии часто связывают с энергосодер жанием расширенной системы.

Принимая во внимание сказанное, можно считать, что моль атомов цинка и моль молекул серной кислоты при постоянном давлении имеют энтальпию HZn кр.

0 1000 2000 Т К и HН2SO4, соответственно, а моль мораствор Рис. 9. Зависимость энтальпии лекул сульфата цинка и водорода соотсвинца от температуры ветственно HZnSO и HH. Если в 4 раствор 2 газ процессе исчезли исходные вещества с энергосодержанием, равным их сумме: HН2SO + HZn кр.,и образовались вещества – продукты реакции с сум4 раствор марным энергосодержанием HZnSO + HH, то изменение энтальпии 4 раствор 2 газ процесса составило некоторую величину Hреакции, равную разности их сумм:

График представлен в книге: Карапетьянц, М. Х. Введение в теорию химических процессов / М. Х. Карапетьянц. – М. : Высшая школа, 1981. – С. 10.

сублимации газ крис.

Н = Н Н парообраз.

плавлен.

Н Н H реакции = (HZnSO + HH ) – (HН2 SO + HZn кр).

4 раствор 2 газ 4 раствор А так как Q = –Hреакции, то другими словами: тепловой эффект реакции при постоянном давлении есть не что иное, как разность сумм энтальпий продуктов и исходных веществ1. А это есть изменение энтальпии системы в процессе (реакции). На практике часто для краткости говорят просто – «энтальпия процесса (реакции)», Реакционные Реакционная система системы опуская слово «изменение».

Изменение энтальпии процесса связано с изменением внутренней энергии системы 100 кДж 100 кДж простой зависимостью. Если сопоставлять уравнения (1.6) и (1.16), то получим:

Н= +100 кДж Н= 100 кДж H = U + p· V. (1.17) Рис. 10. Изменение энергосодержания систеСледовательно, изменение мы: а – энтальпия системы увеличивается на энтальпии включает в себя из100 кДж; б – энтальпия системы уменьшается менение внутренней энергии на 100 кДж системы с учетом той работы А = p·V, которую она совершила, расширяясь.

Энтальпия H и ее изменение Н, как и внутренняя энергия, являются функциями состояния.

Все системы, с которыми мы имеем дело на практике, обмениваются энергией с окружающей средой. Так и рассматриваемая система с образовавшимися продуктами, не имея идеальной теплоизоляции, рано или поздно передаст выделившееся количество энергии в форме теплоты Qр окружающей среде. Соответственно, система уменьшит свое энергосодержание, а окружающая среда приобретет энергию в виде положительного теплового эффекта реакции Qр при постоянном давлении, что можно отразить в виде различных знаков для изменения энтальпии и теплового эффекта реакции:

Это соотношение известно как следствие из закона Г. И. Гесса, который мы рассмотрим несколько позже.

Окружающая среда –H = Qр.

Н Знак «–» при H подчеркивает тот факт, что энергозапас системы Начальное уменьшился (рис. 10, б).

состояние Наглядно энергетические проКонечное -Н=Qр цессы при постоянном давлении часто изображают графически. Для этого по оси ординат откладывают энтальпию, Ход реакции а по абсциссе – ход реакции (рис. 11).

Из диаграммы, приведенной на рис.

Рис. 11. Графическое изображение изменения энергосодержания системы в 11 видно, что изменение энергосоходе реакции держания системы в ходе реакции соответствует положительному тепловому эффекту реакции Qр. Разность же энтальпий (H2 – H1) – величина отрицательная, так как H2 < H1 и H < 0.

Вопросы и задачи для самостоятельной работы 1. В результате химического процесса, оказалось, что H > 0. Энергосодержание системы увеличилось Уменьшилось Каков знак теплового эффекта реакции 2. Процесс диссоциации молекул водорода H2 2H протекает с изменением энтальпии H = 436 кДж/моль. Энергосодержание системы при этом процессе уменьшилось Увеличилось 3. Процесс горения водорода в кислороде сопровождается изменением энтальпии H = -241 кДж/моль. Что произошло с энергосодержанием системы 4. При растворении 1 моль атомов цинка в разбавленной серной кислоте при 25 оС выделяется 143,1 кДж теплоты. Одновременно выделяется 1 моль водорода, причем против внешнего давления совершается работа. Определите изменение внутренней энергии системы.

5. Отличается ли, а если да, то насколько, тепловой эффект реакции при постоянном давлении, от такового этой же реакции в приведенном предыдущем примере при постоянном объеме 2.4. Термохимические уравнения Термохимические уравнения записываются как обычные химические уравнения реакций, но с указанием величины и знака теплового эффекта реакции. Поскольку технологические процессы и химические эксперименты проводятся в большинстве случаев при постоянном давлении, поэтому в дальнейшем тепловые эффекты реакции будут выражаться через изменение энтальпии H, которые приведены справочниках. Пользуясь известными соотношениями:



–U = Qv, и –H = Qр можно рассчитать и остальные величины.

Термохимическое уравнение, например реакции восстановления оксида свинца оксидом углерода, запишется так:

PbOкр. + COгаз = Pbкр. + CO2 газ; H = –64 кДж.

Возможен несколько иной вариант записи этого же уравнения:

PbOкр. + COгаз = Pbкр. + CO2 газ + 64 кДж.

Изменение энтальпии в реакции составляет H = –64 кДж, а тепловой эффект реакции Qр равен +64 кДж. Следовательно, энергосодержание реагирующей системы уменьшилось (знак минус перед величиной изменения энтальпии) на 64 кДж, а в окружающую среду рассеялось 64 кДж энергии (положительный эффект реакции).

Обратите внимание на то, что в термохимических уравнениях указываются агрегатные состояния веществ: кристаллическое (кр.), газообразное (газ), жидкое (ж), т. к. тепловой эффект реакции зависит от состояния реагирующих веществ и продуктов реакции. Например, вода будет обладать большим энергосодержанием в жидком состоянии, по сравнению с парообразным состоянием..

Приведем еще несколько примеров термохимических уравнений. Экзотермические реакции протекают с выделением энергии. Например, H2 газ + O2 газ = H2 Oпар + 241,8 кДж.

Тепловой эффект данной реакции Qр = 241,8 кДж, а изменение энтальпии H = –241,8 кДж.

Эндотермические реакции протекают с поглощением энергии. Например, диссоциация воды согласно уравнению H2Oж = H+ водный раствор + OH- – 57,5 кДж.

водный раствор Реакция диссоциации воды на ионы протекает с поглощением тепла Qр = –57,5 кДж, а энтальпия этого процесса – величина положительная H = + 57,5 кДж.

В термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты, поскольку приводимые тепловые эффекты или изменения энтальпии относят к одному молю исходного вещества или продукта реакции. Например, в термохимическом уравнении N2 газ + O2 газ = N2Oгаз –82,0 кДж.

Приведенный тепловой эффект Qр = –82,0 кДж относится к 1 моль азота или к 1 моль продукта реакции N2Oгаз.

2.5. Энтальпия образования вещества В реакции, описываемой термохимическим уравнением H2 газ + O2 газ = H2 Oжид. + 285,85 кДж, из простых веществ водорода и кислорода образуется 1 моль сложного вещества воды в жидком состоянии, и при этом выделяется 285,85 кДж энергии. Следовательно, эту величину теплового эффекта можно назвать теплотой (энтальпией) образования жидкой воды, если считать, что теплоты образования простых веществ (водорода и кислорода в данной реакции) при тех же самых условиях равны нулю Hн2 газ = HО2 = 0.

газ Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании одного моль химического соединения из простых веществ, носит название теплоты образования химического соединения.

Или, используя понятие энтальпии, можно сказать, что энтальпией образования вещества называется изменение энтальпии в реакции образования одного моль химического соединения из простых веществ.

Например, образование оксида алюминия протекает согласно термохимическому уравнению:

2 Alкр. + 1,5 O2 газ = Al2O3 кр.; H = –1675 кДж.

Так как дана реакция образования одного моль оксида алюминия из простых веществ, то изменение энтальпии этого процесса можно назвать энтальпией образования оксида алюминия и записать ее как HAl2O3 кр. = –1675 кДж/моль.

Энтальпии (теплоты) образования веществ являются индивидуальными характеристиками соединений, как и плотность, электропроводность, температура плавления и другие свойства. И точно также зависят от условий, при которых происходит их определение.

2.6. Стандартные условия Тепловые эффекты реакций зависят от условий, при которых они протекают. Поэтому, для того чтобы можно было сравнивать полученные значения тепловых эффектов реакций, энтальпии образования веществ, условились определять или приводить их к определенным, одинаковым, так называемым, стандартным условиям. Стандартными условиями принято считать состояние 1 моль чистого вещества при давлении 101325 Па (1 атм или 760 мм рт. ст.) и температуре 25 оС или 298 К 1.

Для веществ, находящихся в растворе, за стандартную концентрацию принимают концентрацию равную один моль в литре (С = 1 моль/л). Причем предполагается, что раствор ведет себя при этой концентрации, точно так же, как и при бесконечном разбавлении, т. е. является идеальным. Это же предположение относится и к веществам, которые находятся в газообразном состоянии (газ как бы является идеальным и при давлении в 1 атмосферу, и при давлении значительно более низком).

Стало быть, изменение энтальпии реакционной системы при переходе из одного состояния в другое при стандартных условиях также будет носить стандартный характер. И энтальпия образования одного моля сложного вещества из простых веществ при стандартных условиях также будет называться стандартной энтальпией (теплотой) образования.

Опыты проще проводить при атмосферном давлении 101325 Па и комнатной темперао туре 25 С, поэтому и приняты эти параметры стандартными. Внимание – не путать стандартные условия и нормальные, которые отличаются температурой (298 К и 273 К соответственно).

Стандартные изменения энтальпии образования обозначают Hоf,2981.

В дальнейшем будем их называть просто стандартными энтальпиями образования веществ или энтальпиями реакции (опуская слово – изменение).





Например, стандартная энтальпия образования воды в жидком состоянии обозначается так:

Hоf н2о ж.,298 = –285,85 кДж/моль.

Эта запись означает, что в стандартных условиях образование одного моль воды в жидком состоянии из простых веществ сопровождается потерей реагирующей системой 285,85 кДж. Запись термохимического уравнения этой рекции выглядит так:

H2 газ + O2 газ = H2Oжид. ; Hо = –286 кДж.

Стандартные энтальпии образования для большинства известных веществ определены опытным путем или рассчитаны и сведены в справочные таблицы термодинамических свойств веществ (частично они представлены в таблице 1 Приложения).

Стандартные значения энтальпий образования простых веществ (например, H2 газ, O2 газ, Cu кр. и других веществ) для тех агрегатных состояний, в которых эти вещества устойчивы, принимаются равными нулю, т. е.

Hоf, H 298 = 0,0 кДж/моль; Hо 298 = 0,0 кДж/моль и т. д.

2 газ f,О2 газ Стандартная энтальпия образования соединения является мерой его термодинамической устойчивости, прочности, и носит периодический характер для одного класса, группы однотипных веществ (смотрите, таблицу Приложения).

Иногда в выборе стандартного состояния бывают исключения, например, когда мы говорим о стандартной теплоте образования парообразной воды, мы подразумеваем, что образуется водяной пар, давление которого равно 101,3 кПа, а температура 25 оС. Но при 25 оС водяной пар имеет значительно более низкое равновесное давление. Значит, теплота образования воды в парообразном состоянии Hо н2о пар.,298 это чисто условное состояние.

f Индексы обозначают: «о» – стандартные условия, f – от английского formation – образование, 298 – стандартная температура в градусах Кельвина. В дальнейшем стандартные энтальпии будем обозначать с одним индексом Hо.

Вопросы и задачи для самостоятельной работы 1. Что называется тепловым эффектом реакции Чему равен тепловой эффект реакции при постоянном объеме При постоянном давлении 2. Какова связь между энтальпией и внутренней энергии системы 3. Какие условия являются стандартными 4. Что называют стандартной теплотой (энтальпией) образования вещества 5. Воспользовавшись таблицей Приложения 1, найдите значение энтальпии образования следующих веществ: Fe2O3 кр., CH4 газ, O2 газ, CO2 газ, Feкр.. Чему равна теплота образования соответствующих веществ 6. Перечислите, какие особенности у термохимических уравнений 7. Запас внутренней энергии больше у 1 моль воды в жидком или кристаллическом виде 8. Какие из следующих реакций являются эндотермическими:

1. 0,5 N2 газ + O2 газ + 33,5 кДж = NO2 газ, 2. 0,5 N 2 газ + 1,5 H2 газ = NH3 газ + 46 кДж, 3. 0,5 N2 газ + 0,5 O2 газ = NOгаз; Hо = 90 кДж, 4. 0,5 O2 газ + H2 газ = H2O пар ; Hо = -242 кДж.

9. Сколько энергии надо затратить для разложения 9 г воды на водород и кислород в стандартных условиях 10. Напишите термохимическое уравнение реакции образования оксида кальция, если H0 = -635,б1 кДж/моль.

СаО кр.

11. Определите изменение внутренней энергии при испарении 250 г воды при 25 оС, допуская, что пары воды подчиняются законам идеальных газов. Объемом жидкости по сравнению с объемом газа можно пренебречь. Удельная теплота парообразования воды Hпарообразования = 2451 Дж/г.

12. При взаимодействии водорода и кислорода с образованием воды в жидком состоянии при 25 оС выделяется 285,84 кДж на моль водорода. Вычислите изменение внутренней энергии системы.

13. В чем различие между понятиями внутренняя энергия системы U и энтальпия системы H При каких условиях тепловой эффект реакции равен изменению внутренней энергии При каких условиях тепловой эффект реакции совпадает с изменением энтальпии 14. Почему при вычислении теплового эффекта реакции необходимо указывать агрегатное состояние веществ 2.7. Влияние температуры на тепловой эффект реакции Изменится ли тепловой эффект реакции, если провести ее не при стандартной температуре Известно, что энтальпия, определяемая выражением:

H = U + PV, является мерой энергии, накопленной веществом или системой, она зависит и от температуры, и от давления. При постоянном давлении тепловой эффект реакции есть изменение энтальпии системы:

Hо = Hо продуктов – Hо исходных веществ реакции f,298 f,А что произойдет с энтальпиями веществ (исходных веществ и продуктов реакции), если процесс проводить не при стандартных условиях Например, не при Т1 = 298 К, а, скажем, при более высокой температуре T2 Это означает, что исходные вещества, и, соответственно, продукты реакции нужно нагреть до этой температуры Т2, т. е. сообщить им определенный запас энергии, который будет зависеть и от количества вещества, участвующего в реакции, и от его теплоемкости. В общем случае Н теплоемкости продуктов реакции и Н исходных веществ исходных веществ неодинаковы.

Н Т Следовательно, количество затраченной энергии на нагрев исходных веНществ и продуктов будет разным.

Соответственно и изменения энталь Н продуктов пии при температуре реакции Т2 и при стандартной температуре Т Т= 298К ТТ1 = 298 К тоже будут различными Рис. 12. Изменение энтальпии (рис. 12), т. е.

исходных веществ и продуктов Но НоТ2.

реакции при нагревании Как видно из кривых, приведенных на графике рис. 12, суммарная энтальпия исходных веществ Hо исходных веществ f,с температурой растет значительно быстрее, чем сумма энтальпий продуктов реакции Hо продуктов.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 24 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.