ЕНЕРГЕТИКА
ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ
Під час хімічних реакцій рвуться зв’язки
між атомами у молекулах вихідних речовин і виникають нові зв’язки у молекулах
продуктів реакції. Ці зміни супроводжуються виділенням або поглинанням енергії.
Як правило, це енергія теплова.
Величина
теплової енергії, що виділяється чи поглинається під час хімічних реакцій – тепловий
ефект хімічної реакції. Реакції, що відбуваються з виділенням тепла
– екзотермічні.
.
Реакції, що відбуваються з поглинанням
тепла – ендотермічні.
.
Розділ термодинаміки, що вивчає енергетичні ефекти
хімічних реакцій, називається термохімією.
При постійних
температурі і тиску тепловий ефект хімічної реакції виражається зміною
ентальпії (ΔHх.р., кДж). Для екзотермічної реакції ΔHх.р< 0, для ендотермічної – ΔHх.р >0.
Якщо умови
проведення реакції стандартні – температура 298 К (25 оС), тиск 101,325 кПа (1 атм),
то зміну ентальпії називають стандартною (ΔH0х.р.).
Тепловий
ефект реакції утворення 1 моля хімічної сполуки з елементів називається ентальпією
утворення сполуки (ΔH0утв., кДж/моль). Стандартна ентальпія утворення є мірою
термодинамічної стійкості сполуки, кількісним вираженням енерговмісту речовини.
Більш стійкою за стандартних умов є та речовина, що має менше алгебраїчне
значення ΔH0утв..
Ентальпії утворення простих речовин (;
;
) в їх
стійкому стані прийнято рівними нулю. Значення стандартних ентальпій утворення
деяких сполук подані у таблиці 4.
Таблиця
4
Стандартні ентальпії ΔH0утв ,
ентропії S0утв і
енергії
Гіббса
ΔG0утв деяких сполук
№
п\п |
Речовина |
ΔH0утв кДж/моль |
S0утв Дж/К∙моль |
ΔG0утв кДж/моль |
1. |
Al2O3 |
-
1676,0 |
50,9 |
-1582,0 |
2. |
C (графіт) |
0 |
5,7 |
0 |
3. |
С(алмаз) |
0 |
2,5 |
0 |
4. |
CH4(г) |
-74,9 |
186,2 |
-50,8 |
5. |
C2H2(г) |
226,8 |
200,8 |
209,2 |
6. |
CО(г) |
-110,5 |
197,5 |
-137,1 |
7. |
CО2(г) |
-393,5 |
213,7 |
-394,4 |
8. |
СаCО3(т) |
-1207,0 |
88,7 |
-1127,7 |
9. |
СаО (т) |
-635,5 |
39,7 |
-604,2 |
10. |
Са(ОН)2(т) |
-986,6 |
76,1 |
-896,8 |
11. |
Cl2(г) |
0 |
222,9 |
0 |
12. |
Сr2О3(к) |
-1440,6 |
81,2 |
-1050,0 |
13. |
FeO(т) |
-264,8 |
60,8 |
-244,3 |
14. |
Fe2O3(т) |
-822,2 |
87,4 |
-740,3 |
15. |
H2 (г) |
0 |
130,6 |
0 |
16. |
H2O(г) |
-241,8 |
188,7 |
-228,6 |
17. |
H2O(р) |
-285,8 |
70,1 |
-237,3 |
18. |
HCl(г) |
-91,8 |
186,8 |
-94,8 |
19. |
N2(г) |
0 |
191,5 |
0 |
20. |
NО(г) |
90,3 |
210,6 |
86,6 |
21. |
NО2(г) |
33,9 |
240,5 |
51,8 |
22. |
NН3(г) |
-46,2 |
192,5 |
-16,7 |
23. |
О2(г) |
0 |
205,0 |
0 |
24. |
СН3ОН(р) |
-238,7 |
126,8 |
-276,55 |
Тепловий
ефект реакції розкладу сполуки на елементи називається ентальпією розкладу
сполуки (ΔН0розкладу).
Перший закон
термохімії (Лавуазьє, Лаплас, 1780-1784 рр.) – ентальпія прямої хімічної реакції рівна за
абсолютним значенням і протилежна за знаком ентальпії зворотної реакції.
Зокрема, при розкладі сполуки на прості речовини відбувається зміна ентальпії,
рівна по модулю, але протилежна за знаком зміні ентальпії при утворенні цієї
сполуки з тих же простих речовин:
Другий закон
термохімії (закон Гесса).
Ентальпія – функція стану системи. Тому тепловий ефект хімічної реакції
ΔHх.р. залежить лише від природи і фізичного стану
реагуючих речовин і продуктів реакції і не залежить від шляху її проведення.
Наприклад,
реакцію утворення можна здійснити безпосереднім сполученням
елементів:
,
або поетапно:
;
.
Сума теплових
ефектів поетапного перетворення рівна тепловому ефекту першої реакції: 283кДж+110кДж=393 кДж.
При термохімічних
розрахунках використовують
наслідок з закону Гесса:
Тепловий ефект хімічної реакції рівний різниці між сумою
ентальпій утворення продуктів реакції і сумою ентальпій утворення реагуючих
речовин з урахуванням їх коефіцієнтів у рівнянні реакції:
Для реакції:
.
– стандартні ентальпії утворення продуктів і
реагуючих речовин (таблиця 4).
Рівняння хімічної
реакції, в якому вказані агрегатні стани
реагуючих речовин (т – твердий, р – рідкий, г – газоподібний) і величина її
теплового ефекту називається термохімічним
рівнянням:
;
.