Следствия из закона Гесса, их роль в термохимических расчетах

Стандартное состояние вещества и стандартные тепловые эффекты.

Для удобства сопоставления тепловых эффектов, а также других термодинамических функций, вводится представление о стандартном состоянии вещества.

Для твердых и жидких веществ в качестве стандартных принимаются их устойчивые состояния при внешнем давлении р = 1 атм. (101,3 кПа). Например, S (ромб.), С (гр.), J₂ (тв.), Н₂О (ж.).

Для газов в качестве стандартного принимается состояние идеального газа при давлении р = 1 атм. (хотя часто это состояние далеко от реального). Стандартные состояния могут выбираться при любых температурах Т.

В справочниках обычно приводят значения термодинамических функций – при 25 ºС или Т=298 ºК.

Например, для реакции образования воды:

(Н₂) + ½(О₂) = {Н₂О} ΔНº₂₉₈ = −68,32 ккал/моль (−285,84 кДж/моль)

(Н₂) + ½(О₂) = (Н₂О) ΔНº₂₉₈ = −57,8 ккал/моль (−241,8 кДж/моль)

Значок º указывает на стандартные состояния всех участников реакции, индекс ₂₉₈ означает, что величины Q_р = −ΔНº даются для Т=298,15 ºК.

Существует два способа записи теплот химических реакций и, соответственно, две системы знаков (термодинамическая, теплота считается положительной, если она получена системой, и отрицательной, если она отдана системой; термохимическая, теплота положительная, если она выделяется и отрицательная, если она поглощается).

В термодинамической системе записывают уравнение реакции и рядом тепловой эффект ΔНº₂₉₈ (или в левой части).

В термохимических уравнениях указывают агрегатные состояния веществ: (г), {ж}, [т] или (г), (ж), (т), могут указываться также давление, если оно отличается от 1 атм., концентрация и др. условия. Для характеристики тепловых эффектов чаще используют ΔН, реже ΔU.

Практическое значение закона Гесса состоит в том, что с его помощью можно вычислить неизвестную теплоту реакции путем комбинирования стехиометрических уравнений и теплот реакций, изученных термохимически.

Из закона Гесса вытекает несколько следствий. Следствие первое, позволяющее определить ΔН любых химических реакций через теплоты образования. Теплота образования − это тепловой эффект реакции образования 1 моля сложного вещества из простых веществ. Могут быть со знаком плюс и минус, для простых веществ равны нулю.

В термохимии для каждого элемента в качестве стандартного выбирается состояние простого вещества, устойчивого при стандартных условиях, теплота образования которого условно принимается за нуль (например газы Н₂, О₂, N₂, графит и ромбическая S, белое олово и др.). Теплота образования ΔНº₂₉₈ при стандартных условиях имеет размерность кДж/моль, ккал/моль.

Согласно первому следствию из закона Гесса: тепловой эффект любой химической реакции равен разности между суммами теплот образования конечных и исходных веществ, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

В общем случае для любой химической реакции при р = const (изобарный процесс)

(2.1)

Во многих случаях теплоту образования экспериментально определить нельзя. Тогда её рассчитывают по тепловым эффектам других термохимических реакций.

Теплота сгорания – это тепловой эффект реакции окисления данного соединения кислородом с образованием высших оксидов или это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества в потоке кислорода.

За нуль принимаются теплоты сгорания кислорода и продуктов сгорания в их устойчивом состоянии при стандартных условиях, т.е. считают нулевой энергию сгорания газообразных веществ О₂, N₂, CO₂, SO₂, H₂O(ж) и др. негорючих веществ.

Согласно второму следствию из закона Гесса: тепловой эффект любой химической реакции равен разности между суммами теплот сгорания исходных веществ и конечных продуктов, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты.

(2.2)

Особенно большое значение теплоты сгорания имеют для определения тепловых эффектов химических реакций, в которых участвуют органические соединения. Теплота сгорания пищевых продуктов в живом организме является источником энергии, за счет которых осуществляются жизнедеятельность. Химические превращения пищевых веществ в организме, как и химические реакции вне организма, подчиняются одним и тем же термохимическим законам. Например, при сжигании одного моля глюкозы в калометрической бомбе выделяется ≈673 ккал тепла, причем точно такое же количество тепла освобождает организм человека при окислении одного моля глюкозы.

Другие следствия из закона Гесса:

3) Тепловой эффект химического соединения равен и противоположен по знаку тепловому эффекту его образования (Закон Лавуазье-Лапласа). Следствие – тепловой эффект кругового процесса должен быть равен 0

4) Если совершаются две реакции, приводящие из различных начальных состояний к одинаковым конечным, то разница между их тепловыми эффектами представляет тепловой эффект перехода из одного начального состояния в другое.

С(гр.) + О₂ → СО₂ + 393,51 кДж

С(ал.) + О₂ → СО₂ + 395,34 кДж

С(гр.) → С(ал.) = – 1,83 кДж (2.3)

5) Если совершаются две реакции, приводящие из одинаковых начальных состояний к различным конечным, то разница между их тепловыми эффектами представляет процесс перехода из одного конечного состояния в другие.

Н₂ + ½ О₂ = Н₂О (г) + 241,83 кДж (1)

Н₂ + ½ О₂ = Н₂О (ж) + 285,84 кДж (2)

Н₂ + ½ О₂ = Н₂О (т) + 291,67 кДж (3)

(3) – (2) Н₂О (т) = Н₂О (ж) – 5,83 кДж

(2) – (1) Н₂О (ж) = Н₂О (г) – 44,01 кДж

(3) – (1) Н₂О (т) = Н₂О (г) – 49,84 кДж (2.4)

Дата добавления: 2014-01-07