Николай Глинка - Общая химия

Тепловые эффекты можно включать в уравнения реакций. Химические уравнения, в которых указано количество выделяющейся или поглощаемой теплоты, называются термохимическими уравнениями. Величина теплового эффекта указывается обычно в правой части уравнения со знаком плюс в случае экзотермической реакции и со знаком минус в случае эндотермической реакции. Например, термохимическое уравнение реакции образования жидкой воды имеет вид:

2H 2+ O 2= 2H 2O + 571,6 кДж

или

H 2+ ½O 2= H 2O + 285,8 кДж

Теплота образования оксида азота(II) отрицательна и равна -90.25 кДж/моль. Соответствующее термохимическое уравнение имеет вид:

N 2+ O 2= 2NO - 180,5 кДж

или

½N 2+ ½O 2= NO - 90,25 кДж

Важнейшей характеристикой веществ, применяемых в качестве топлива, является их теплота сгорания. Эту величину также принято относить к одному молю вещества. Таким образом, выражение "теплота сгорания ацетилена равна 1300 кДж/моль" эквивалентно термохимическому уравнению:

C 2H 2+ 2½O 2= H 2O + 2CO 2+ 1300 кДж

Величина теплового эффекта зависит от природы исходных веществ и продуктов реакции, их агрегатного состояния и температуры. Для удобства сравнения различных реакций по величинам их тепловых эффектов последние обычно указывают для случая, когда температура исходных веществ и продуктов реакции равна 25℃*. При этом также подразумевается, что участвующие в реакции вещества находятся в том агрегатном состоянии, которое устойчиво при этой, так называемой стандартной температуре. Если, однако, представляет интерес теплота образования вещества, находящегося в другом агрегатном состоянии, чем то, в котором оно устойчиво при 25℃, то это состояние указывается в уравнении реакции.

* Все тепловые эффекты, приводимые в данной книге, в том числе теплОты образования веществ относятся к 25℃.

- 161 -

При этом кристаллическое состояние обозначается знаком (к) около формулы вещества, жидкое - (ж), газообразное — (г). Так, теплота образования водяного пара равна 241,8 кДж/моль; соответствующее термохимическое уравнение имеет вид:

H 2+ ½O 2= H 2O (г) + 241,8 кДж

Ясно, что разность между теплотой образования жидкой воды (285,8 кДж/моль) и водяного пара (241,8 кДж/моль) представляет собой отнесенную к одному молю (18 г.) теплоту испарения воды при 25℃.

Основной принцип, на котором основываются все термохимические расчеты, установлен в 1840 г. русским химиком акад. Г. И. Гессом. Этот принцип, известный под названием закона Гесса и являющийся частным случаем закона сохранения энергии, можно сформулировать так:

Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Рассмотрим пример, поясняющий закон Гесса. Раствор сульфата натрия можно приготовить из растворов серной кислоты и гидроксида натрия двумя способами:

1. Смешать раствор, содержащий два моля NaOH, с раствором, содержащим один моль H 2SO 4.

2. Смешать раствор, содержащий один моль NaOH, с раствором, содержащим один моль H 2SO 4, и к полученному раствору кислой соли (NaSO 4) добавить раствор, содержащий еще один моль NaOH.

Запишем термохимические уравнения этих реакций.

Первый способ:

2NaOH(водн.) + H 2SO 4(водн.) = Na 2SO 4(водн.) + 2H 2O + 131,4 кДж

Второй способ:

NaOH(водн.) + H 2SO 4(водн.) = NaHSO 4(водн.) + H 2O + 61,7 кДж

NaHSO 4(водн.) + NaOH(водн.) = Na 2SO 4(водн.) + H 2O + 69,7 кДж

Символ (водн.) означает, что вещество взято в виде водного раствора.

Согласно закону Гесса, тепловой эффект в обоих случаях должен быть одним и тем же. Действительно, складывая тепловые эффекты, отвечающие двум стадиям второго способа, получаем тот же суммарный тепловой эффект, который наблюдается при первом способе проведения процесса: 61,7+69,7=131,4 кДж.

Таким образом, подобно обычным уравнениям химических реакций, термохимические уравнения можно складывать.

- 162 -

Закон Гесса дает возможность вычислять тепловые эффекты реакции в тех случаях, когда их непосредственное измерение почему-либо неосуществимо. В качестве примера такого рода расчетов рассмотрим вычисление теплоты образования оксида углерода (II) из графита и кислорода. Измерить тепловой эффект реакции

C(графит) + ½O 2= CO

очень трудно, потому что при сгорании графита в ограниченном количестве кислорода получается не оксид углерода (II), а его смесь с диоксидом углерода. Но теплоту образования СО можно вычислить, зная его теплоту сгорания (283.0 кДж/моль) и теплоту образования диоксида углерода (393.5 кДж/моль).

Горение графита выражается термохимическим уравнением:

C(графит) + ½O 2= CO + 393,5 кДж

Для вычисления теплоты образования СО запишем эту реакцию в виде двух стадий

C(графит) + ½O 2= CO + x кДж

CO + ½O 2= CO 2+ 283,0 кДж

и сложим термохимические уравнения, отвечающие этим стадиям. Получим суммарное уравнение:

C(графит) + O 2= CO 2+ (x + 283,0) кДж

Согласно закону Гесса, тепловой эффект этой суммарной реакции равен тепловому эффекту реакции непосредственного сгорания графита, т. е. x+283.0=393.5. Отсюда x=110.5 кДж или

C(графит) + ½O 2= CO + 110,5 кДж

Рассмотрим еще один пример применения закона Гесса. Вычислим тепловой эффект реакции сгорания метана CH 4, зная теплоты образования метана (74.9 кДж/моль) и продуктов его сгорания — диоксида углерода (393,5 кДж/моль) и воды (285,8 кДж/моль). Для вычисления запишем реакцию горения метана сначала непосредственно, а затем разбив на стадии. Соответствующие термохимические уравнения будут иметь вид:

CH 4+ 2O 2= CO 2+ 2H 2O + x кДж

CH 4= C(графит) + 2H 2-74,9 кДж

C(графит) + O 2= CO 2+ 393,5 кДж

2H 2+ O 2- 2·285,8 кДж

Складывая последние три термохимические уравнения, отвечающие проведению реакции по стадиям, получим суммарное уравнение горения метана:

- 163 -

CH 4+ 2O 2= CO 2+ 2H 2O + (-74.9+363.5+571.6) кДж

Согласно закону Гесса, -74.9+363.5+571.6=x, откуда теплота сгорания метана x=890.2 кДж.

Рассмотренный пример иллюстрирует практически важное следствие закона Гесса: тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования получающихся веществ за вычетом суммы теплот образования исходных веществ. Оба суммирования производятся с учетом числа молей участвующих в реакции веществ в соответствии с ее уравнением.

Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни; известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, — например, при охлаждении, — медленно; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.