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.

(г)

-110,5

197,5

-137,1

7.

2(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)

-264,8

60,8

-244,3

14.

Fe2O3)

-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.

(г)

90,3

210,6

86,6

21.

2(г)

33,9

240,5

51,8

22.

3(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:

;        .