Наслідки із закону Гесса

Основні закони термохімії.

1. Закон Гесса (1840) формулюється таким чином: тепловий ефект будь-якого ряду реакцій (1,2,3) дорівнює тепловому ефекту будь-якого іншого ряду (4,5,6,7) реакцій, якщо однакові початкові речовини та їх стани і якщо продукти реакції і їх фізичні стани також однакові. Закон Гесса можна ілюструвати наступною схемою. Уявимо собі перетворення початкових речовин (А+В) в продукти реакції (С+Д):

DН₂

1 2 3

DН Н

DН₁ 11 DН₃

А + В С+Д

4 5 5 7

DН₄ DН₅ DН₆ DН₇

Схема, що ілюструє закон Гесса.

DН₁, DН₂, DН₃ - теплові ефекти проміжних стадій одного з можливих шляхів реакцій;

DН₄, DН₅, DН₆, DН₇ - теплові ефекти проміжних стадій іншого ряду реакцій;

DН - тепловий ефект реакції безпосереднього перетворення:

А + В = С+Д.

На основі закону Гесса можна написати (математичне вираження закону):

DН = DН₁ + DН₂ + DН₃ = DН₄ + DН₅ + DН₆ + DН₇.

З рівняння видно також, що тепловий ефект реакції дорівнює сумі теплових ефектів її проміжних стадій.

2. Закон Лавуазье-Лапласа: Ентальпія утворення будь-якої сполуки дорівнює ентальпії його розкладання, але протилежна їй за знаком.

DН_утв. = - DН_розкл. (20)

Тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумою теплот утворення продуктів реакції і сумою теплот утворення початкових речовин, взятих з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів в рівнянні реакції:

DН⁰_х.р. = Sі (DН⁰_утв.)_кін.- Sі (DН⁰_утв.)_поч., (21)

де: і - стехіометричні коефіцієнти.

Приклад. Розрахувати зміну ентальпії реакції:

С(т) + Н₂О(п) ® СО₂(г) + Н₂(г).

З довідника отримуємо величини DН⁰ реагуючих речовин:

DН⁰_С02(г) = -110,5 кДж/ моль;

DН⁰_Н2О(п) = -241,83 кДж/ моль;

DН⁰_утв. для простих речовин (Н₂, С) приймається за нуль.

Рішення. Відповідно до рівняння (21) зміна ентальпії DН⁰_х.р. буде дорівнювати

DН⁰_х.р = DН⁰_С02 - DН⁰_Н2О = -110,5 - (241,83) = 131,33 кДж.

Приклад. Визначити теплоту згорання і питому теплоту згорання пропану.

Запишемо реакцію горіння (окислення) пропану і розставимо стехіометричні коефіцієнти:

С₃Н₈(г) + 5О₂(г) = 3СО₂(г) + 4Н₂О(р)

При визначенні теплових ефектів вода береться в рідкому агрегатному стані. Звичайно для зручності користуються наступною схемою запису, де DН⁰_утв. - величини, запозичені з таблиць:

С₃Н₈(г) + 5О₂(г) = 3СО₂(г) + 4Н₂О(р)

DН⁰_утв.: -103, 8 0 -393,5 -285,84 кДж/ моль.

Рішення. На основі рівняння (21) запишемо:

DН⁰_х.р. = (4 ^. DН⁰_Н2О + 3 ^. DН⁰_СО2) - (DН⁰_С3Н8 + 5 ^. DН⁰₀₂),

підставимо значення:

DН_х.р. = [4 ^. (-285,84) + 3 ^. (-393,5)] - (-103,8) = -2218,8 кДж.

Тепловий ефект реакції, який виражається в кДж і віднесений до 1 моль речовини, називається теплотою згорання. Для пропану теплотою згорання буде величина 2218,8 кДж/моль. Теплота згорання, що віднесена до 1 кг (або 1 м³ для газоподібного палива), називається питомою теплотою згорання. Визначимо останню:

1 моль (22,4 л) С₃Н₈ - виділяє 2218,8 кДж.

1 м³ (1000 л) С₃Н₈ - виділить DН⁰_пит.

Теплоти згорання також приводяться в довідниках. У разі використання теплот згорання тепловий ефект (DН⁰_х.р.) визначається як різниця між сумою теплот згорання початкових продуктів і сумою теплот згорання кінцевих, тобто

DН⁰_х.р. = SіDН⁰ _{зг.(поч.)} - SіDН⁰_{зг.(кін.)} (22)

(Порівняйте рівняння (22) з рівнянням (21).

Рівняння (21) є загальним, рівняння (22) застосовується для органічних сполук.

Приклад. Визначити ентальпію утворення гідроксиду кальцію:

Са(ОН)₂ (р) + СО₂ (г) ® СаСО₃ (т) + Н₂О (р),

якщо відомо, що DН⁰_х.р. = -112,14 кДж.

Рішення. Са(ОН)₂ (р) + СО₂ (г)СаСО₃ (т) + Н₂О (р),

DН⁰_утв.:? -393,5 -1206,0 -285,84 кДж/моль.

Користуючись рівнянням (21) запишемо:

DН⁰_х.р. = [DН⁰_СаСО3 + DН⁰_Н2О] - [DН⁰_СО2 + DН⁰_Са(ОН)2] або

- 112,14 = [-1491,84] - [-393,5 + DН⁰ _Са(ОН)2], звідки отримуємо:

DН⁰_Са(ОН)2 = -1491,84 + 393,5 + 112,14 = -986,2 кДж/ моль.

З останнього прикладу видно, що теплоти утворення ряду речовин можна визначати за тепловими ефектами реакцій, якщо відомі теплоти утворення інших речовин, що беруть участь в реакції.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО КОНТРОЛЮ:

1. Предмет хімічної термодинаміки. Дати визначення “Система”, “Параметри стану”, “Функції стану”.

2. Внутрішня енергія. Перший закон термодинаміки.

3. Ентальпія. Ендотермічні та екзотермічні процеси з точки зору зміни ентальпії. Як зв’язані зміни внутрішньої енергії і ентальпії з тепловими ефектами реакцій?

4. Сформулюйте закон Гесса. Як розраховують теплові ефекти реакцій, які не можна визначити експериментально? Які дані для цього необхідні?

5. Сформулюйте закон Лавуазьє-Лапласа. Як визначають тепловий ефект хімічної реакції за величинами ентальпій утворення речовин?

6. Що таке ентропія? Сформулюйте другій закон термодинаміки. Як розрахувати зміну ентропії для рівноважного ізотермічного процесу?

7. Визначення енергії Гіббса, від яких чинників вона залежить?

8. Третій закон термодинаміки.

9. Які термодинамічні величини визначають самочинність протікання хімічних реакцій?

10.Користуючись таблицею стандартної теплоти утворення речовин, визначте, чи буде реакція 2NO + O₂ = 2NO₂ екзотермічною або ендотермічною? Чому дорівнює стандартна теплота цієї реакції (∆Н_х.ρ⁰)?

11.Одним із засобів промислового одержання водню є взаємодія метану з водяною парою: СН₄(г) + Н₂О(г) = СО(г) + 3Н₂(г). Розрахувати ∆G⁰ і ∆S⁰ цієї реакції і вирішити, чи буде вона протікати за стандартних умов? При підвищенні температури?

12.Користуючись таблицею стандартної теплоти утворення, розрахуйте тепловий ефект (∆Н_ρ⁰) реакції: 3CaO + P₂O₅ = Ca₃(PO₄)₂.

13.Зменшиться чи збільшиться ентропія при переході: а) води в пару, б) графіту в алмаз? Чому? Розрахуйте ∆S⁰ для кожного перетворення, якщо S⁰ алмазу= 2,44 Дж/моль, S⁰ графіту=5,69 Дж/моль, S⁰ _Н2Ор = 69,94 Дж/моль, S⁰ _{Н2Опара} =188,72 Дж/моль.

14.Обчислити ΔG⁰ реакції: 4Fe(OН)₂(к) + 0₂(г) +H₂O(p) = 4Fe(OH)₃(к). Зробіть висновок – яка ступінь окиснення більш характерна для заліза?

15.При плавленні льоду при 0⁰С поглинається 143,63 Дж/моль. Обчислити зміну ентропії при плавленні 5 моль льоду.

Дата добавления: 2014-11-16