ТЕРМОХИМИЯ - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Уравнения химических реакций, учитывающие тепловые эффекты, называются термохимическими уравнениями. Например:
2Н2(г.)+О2(г.) = 2Н2О(г.); ДН = - 476 кДж.
Поскольку в химических превращениях теплота может как поглощаться, так и выделяться, то тепловой эффект реакции нужно характеризовать не только величиной, но и знаком. Химические процессы, сопровождающиеся выделением теплоты, называются Экзотермическими. Процессы, идущие с Поглощением теплоты называются Эндотермическими.
Исторически сложились две различные системы отсчета тепловых эффектов: термохимическая и термодинамическая. В первой системе знак теплового эффекта экзотермической реакции считается положительным (экзо - наружу), а знак теплового эффекта эндотермической реакции - отрицательным (эндо - внутрь). В термодинамике принята обратная система знаков. Если система поглощает теплоту, ставится положительный знак; если выделяет - отрицательный. В дальнейшем будем использовать только термодинамическую шкалу для тепловых эффектов химических реакций. Приведенный выше пример записан в термодинамической шкале, и он показывает, что взаимодействие двух молей водорода и одного моля кислорода с образованием двух молей газообразной воды сопровождается выделением 476 кДж теплоты. Для измерения теплоты используется также другая единица - калория (кал), которая связана с джоулем следующим соотношением: 1кал = 4,18Дж.
При записи термохимических уравнений коэффициенты могут быть как целыми, так и дробными, а тепловой эффект реакции указывается после уравнения через точку с запятой, как было показано выше.
Основным законом термохимии является закон Гесса, сформулированный им в 1836 году.
Закон Гесса можно проиллюстрировать следующей схемой (см. рис. 2)
Рисунок 2.
Здесь переход из начального состояния А в конечное состояние В Может проходить либо в одну стадию А > В, либо в несколько стадий А > С > D > > В. Тепловой эффект этого перехода не будет зависеть от пути и, следовательно,
ДНАВ = ДHАС + ДHСD + ДHDB
Таким образом, тепловой эффект какой-либо реакции можно получить "составляя" эту реакцию из нескольких других, известных нам реакций.
Пример 1. Определить тепловой эффект реакции
Mg(к.) + С(графит) + 3/2О2(г.) = MgCО3(к.); ДНX = ?,
Если известны тепловые эффекты следующих процессов:
С(графит) +O2(г.) = СО2(г.); ДН1 = - 393,5 кДж;
2Мg(к.) + O2(г.) = 2MgO(к.); ДH2 = -1203,6 кДж;
MgO(к.) + CO2(r.) = MgCO3(к.); ДН3 = - 117,7 кДж.
Решение. Чтобы получить искомое термохимическое уравнение, надо сложить первое уравнение со вторым, умноженным на 1/2, и, затем, с третьим. Сделайте это самостоятельно, работая с термохимическими уравнениями, как с алгебраическими. Сравнивая искомое и полученное уравнения, легко заметить, что для тепловых эффектов получается следующее соотношение:
ДНx = ДН1 + 1/2ДН2 + ДН3
Подставив значения величин, получим искомый результат. Проделайте арифметические действия самостоятельно (ДНX = -1113 кДж).
Данный пример показывает, что закон Гесса можно использовать для получения тепловых эффектов тех реакций, скорости которых малы или проведение которых непосредственно невозможно. В данной задаче был получен тепловой эффект реакции образования карбоната магния. Приведенный пример, конечно, слишком простой. В реальной работе часто приходится использовать очень много известных реакций для получения теплового эффекта нужной нам реакции.
Знание тепловых эффектов реакций имеет огромное практическое и теоретическое значение. Эти данные применяются в таких областях человеческой деятельности как металлургия, химическая технология, использование различных видов топлива, ракетная техника и т. п. В научных исследованиях данные о тепловых эффектах дают возможность предсказать направление химического процесса, определить энергию межатомных связей в молекулах, энергию межмолекулярных взаимодействий, получить тепловой эффект реакций образования различных химических веществ и т. д.
Энтальпией (теплотой) образования химического соединения (ДНОбр или ДН°298) - называется изменение энтальпии в процессе получения Одного моля Этого соединения из простых веществ, устойчивых при стандартных условиях (например, графит, ромбическая сера, белое олово, жидкий бром, кристаллический йод). Энтальпии образования простых веществ принимаются равными нулю. Исторически сложилось так, что в некоторых случаях простым веществом с точки зрения термодинамики считается не самая устойчивая при стандартных условиях модификация вещества. Так, простым веществом, наиболее устойчивым в стандартных условиях, считается белый, а не красный фосфор; белое, а не серое олово.
Стандартным состоянием вещества в твердой или жидкой фазах называется его реальное состояние при температуре 298 К и давлении 101,3 кПа. Стандартным состоянием газообразного вещества является состояние газа при парциальном давлении 101,3 кПа и Т = 298 К. Стандартному состоянию растворенного вещества отвечает концентрация его раствора 1 моль/л при Т = 298 К и Р = 101,3 кПа. Чтобы точно определить условия протекания химической реакции, в термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние каждого вещества: CO2(г.) - газообразное, H2О(ж.) - жидкое, КОН(т.) - твердое или КОН(к.) - кристаллическое, MgCl2(p.) - растворенное. Если условия задачи требуют, то указывается также аллотропная модификация вещества: S(ромбическая), С( графит) и т. д.
В основе большинства термохимических расчетов лежит следствие из закона Гесса:
При проведении термохимических расчетов следует учитывать стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций. Так, для реакции, описываемой уравнением аА + вВ = СС + dD, тепловой эффект (ДНР) равен:
ДHР =[с-ДHОбр(С) + d-ДНОбр(D)] - [a-ДHОбр(A) + b-ДHОбр( B)] (11)
Уравнение (11) позволяет определить как тепловой эффект реакции по известным значениям теплот образования веществ, участвующих в реакции, так и одну из теплот образования, если известны остальные и тепловой эффект реакции в целом.
Пример 2.
Пользуясь следующими данными: ДНО6р(СО2) = -393,5 кДж/моль; ДHO6p(МgO) =- 601,8 кДж/моль, определить тепловой эффект реакции:
2Mg(к.) + СО2(г.) = 2МgО(к.) + С(графит); ДHX= ?
Решение: Пользуясь следствием из закона Гесса можно сразу записать требуемое выражение:
ДНX = 2ДНО6р(MgO) - ДНО6р(СО2).
Проделайте арифметические действия самостоятельно и получите результат: ДНX = - 801,1 кДж/моль.
Рассмотрим тепловые эффекты некоторых процессов, интересных для химика. Теплоты образования различных веществ обычно имеют значения в интервале от -1500 кДж/моль до + 500 кДж/моль, т. е. тепловой эффект реакции образования может быть как экзо - так и эндотермическим. Вещества, имеющие большие значения ДНОбр обладают значительным запасом внутренней энергии и поэтому являются неустойчивыми и реакционноспособными. Напротив, вещества с малыми, особенно отрицательными значениями ДНОбр являются, как правило, относительно инертными в химическом отношении. Сравните следующие величины: ДНОбр(С2Н2) = +226,8 кДж/моль и ДНОбр(СО2) = -393,5 кДж/моль. Нетрудно догадаться, какое из веществ является более устойчивым. Теплоты образования родственных соединений (например, оксидов элементов одной подгруппы периодической системы) часто подчиняются определенным закономерностям, которые вытекают из периодического закона Д. И. Менделеева.
Теплоты сгорания характеризуют тепловой эффект реакции взаимодействия веществ с кислородом при образовании, как правило, высших оксидов. Они, чаще всего, имеют отрицательные значения, и чем эти величины больше по абсолютной величине, тем эффективнее использование данного вещества в качестве топлива.
К химическим реакциям можно отнести и процессы распада ионных кристаллов на газообразные ионы. Например:
CsF(т.) = Cs+(г.) + F-(г.); ДН = +762 кДж.
Тепловой эффект процессов такого рода называется энергией кристаллической решетки. Чем выше это значение, тем прочнее решетка кристалла, тем больше энергетические затраты на ее разрушение в процессе химического взаимодействия, тем инертнее ведет себя такое веществе в химическом отношении.
Тепловые эффекты процессов перехода из одного агрегатного состояния в другое (твердое > жидкое; жидкое > газообразное) обычно имеют значения до 100 кДж/моль. Подумайте, почему эти величины имеют положительные значения?
Процесс растворения вещества в воде также может сопровождаться тепловым эффектом. Теплоты растворения твердых кристаллических веществ чаще имеют положительные значения (ДН>0), а теплоты растворения газов, наоборот - отрицательные (ДН <0). Подумайте и постарайтесь объяснить эту закономерность самостоятельно.
Похожие статьи
-
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА - Неограническая химия
Задание 3.1. Запишите реакцию взаимодействия указанного по варианту элемента с кислородом. Используя приведенные в табл. III.1 данные, рассчитайте...
-
Основные понятия химической термодинамики - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Прежде чем приступить к изучению предмета химической термодинамики, необходимо ввести ряд терминов и понятий, используемых в этом разделе. Изучаемые...
-
Термодинамика - наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально...
-
Введение - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Химия изучает химическую форму движения материи, под которой понимают превращение одних веществ в другие. В результате химических процессов появляются...
-
Вероятностные характеристики полумарковской модели Формулы для условных вероятностей Обозначим Теорема 1. В рассматриваемой стохастической полумарковской...
-
Динамическое программирование Динамическое программирование -- один из разделов оптимального программирования, в котором процесс принятия решения и...
-
Исходная задача: При ограничениях: Двойственной является следующая задача: При ограничениях: Число неизвестных в двойственной задаче равно 2....
-
Нелинейное программирование - Методики решения задач линейного и нелинейного программирования
Задача математического программирования называется нелинейной, если нелинейны ограничения или целевая функция. Задачи нелинейного программирования бывают...
-
Процедура решения задач минимизации издержек - Модель оценки издержек в системе складского комплекса
Пусть Z есть вектор, компонентами которого являются все переменные, по которым проводится оптимизация, то есть все компоненты вектора Z . В соответствии...
-
Решение смешанной задачи для уравнения теплопроводности методом конечных разностей
Решение смешанной задачи для уравнения теплопроводности методом конечных разностей 1. Цель работы Ознакомление с методами решения смешанных задач для...
-
В начале пятилетнего периода работы предприятию выделена сумма в C руб. для приобретения нового оборудования. Стоимость одного комплекта оборудования...
-
Внутренняя энергия термодинамическая функцция состояния системы, ее энергия, определяемая внутренним состоянием. Внутренняя энергия складывается в...
-
Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне...
-
Задача о загрузке рюкзака (задача о ранце) - Метод динамического программирования для решения задач
Постановка задачи. Пусть имеются N видов грузов с номерами. Единица груза j-го вида имеет все aJ. Если груз j-го вида берется в количестве xJ, то его...
-
Пример решения транспортной задачи - Экономико-математические методы
На четырех строительных площадках В1, В2, В3, В4 монтируется в день соответственно 20,120,20 60 м3 сборных плит перекрытий. Производство этих плит...
-
Энтропия. Самопроизвольный процесс - Химическая термодинамика и ее процессы
Самопроизвольный процесс - процесс, который может протекать без затраты работы извне, причем в результате может быть получена работа в количестве,...
-
Составление химических уравнений, Расчеты по химическим уравнениям - Основные понятия и законы химии
Включает три этапа: 1. Запись формул веществ, вступивших в реакцию (слева) и продуктов реакции (справа), соединив их по смыслу знаками "+" и "®" : HgO ®...
-
Динамическое программирование (ДП) - Методики решения задач линейного и нелинейного программирования
Динамическими называются задачи экономики, организации и управления, в которых необходимо распределять ресурсы на каждом этапе какого - либо промежутка...
-
Метод кусочно-линейной аппроксимации. В нашей задаче есть такая величина, как коэффициент увеличения затрат при нагрузке, который не использовался нами...
-
В данном разделе речь идет об особом уровне развития химических знаний, на котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента. Свойства...
-
При решении некоторых задач линейного программирования бывает необходимо получить целочисленное решение, которое находится методами целочисленного...
-
Введение - Химическая термодинамика и ее процессы
Предметом физической химии является объяснение химических явлений на основе более общих законов физики. Физическая химия рассматривает две основные...
-
Иногда необходимо управлять сложными комплексами взаимосвязанных работ, направленных на достижение определенных целей. Примерами таких комплексов в...
-
Наша группа работала над учебным межпредметным проектом "Математические модели в рыночной экономике". Мы покажем применение в экономике систем уравнений....
-
Планиметрические задачи Задача 1.Написать уравнения касательной и нормали к графику функциив данной точке, если: [3]. Решение. Уравнение касательной...
-
Вводим дополнительные ограничения в модель: А) продукция типа 1 выпускается только в том случае, если разрешен выпуск хотя бы одного типа продукции: 2 и...
-
Метод дихотомии требует менее всего итераций цикла для получения корней уравнения с заданной точностью. Если расчет ведется без помощи ЭВМ, то это...
-
Ограничение чувствительность задача программирование Вариации правых частей ограничений приводят к изменению области допустимых решений ЗЛП, в действии...
-
В разделе 1 курсовой работы требуется: Определить количество закупаемого заданным филиалом фирмы сырья у каждого АО, (xj), максимизируя прибыль филиала....
-
В инженерной практике в настоящее время широко используются современные программные комплексы позволяющие моделировать сложные физические процессы. Для...
-
Рассмотрим конечные матричные игры, в которых нет седловой точки, т. е. . Нетрудно доказать, что. Если игра одноходовая, то по принципу минимакса игроку...
-
Необходимо найти минимальное значение целевой функции F = 4x1+18x2 > min, при системе ограничений: X1+4x2?14(1) X1+6x2?15(2) X1+x2?5(3)...
-
Несмотря на требование линейности функций критериев и ограничений, в рамки линейного программирования попадают многочисленные задачи распределения...
-
Решим прямую задачу линейного программирования симплексным методом, с использованием симплексной таблицы. Определим максимальное значение целевой...
-
Рассмотрим реакцию между веществами А и В, протекающую по схеме: А А + в В = с С + d D Количественно зависимость между скоростью реакции и концентрациями...
-
Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье - Основы химии
Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на...
-
Многокритериальный оптимизация нейронный аппроксимация Общая схема рассматриваемого метода является итерационной и состоит из следующих основных этапов....
-
Это раздел математического программирования, изучающий методы решения таких экстремальных задач, в которых результаты (эффективность) возрастают или...
-
Решение задачи оптимального управления - Стохастическая полумарковская модель
Воспользуемся теоремой о структуре стационарного показателя качества управления, сформулированной в предыдущем разделе. Отметим, что рассматриваемая в...
-
Решение транспортной задачи методом потенциалов - Математическая модель решения транспортной задачи
Этот метод позволяет автоматически выделять циклы с отрицательной ценой и определять их цены. Пусть имеется транспортная задача с балансовыми условиями...
ТЕРМОХИМИЯ - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач