Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 29 из 68)
Реакции, протекающие с выделением тепловой энергии, называются экзотермическими (от латинского слова экзо – наружу), а реакции, в которых энергия поглощается, называются эндотермическими (от латинского слова эндо – внутрь).
8.1. Термохимия
Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при реакции, называется тепловым эффектом и обозначается как H . Раздел химии, посвященный изучению тепловых эффектов химических систем, называется термохимией. Теплоту можно измерить в специальных приборах – колориметрах. Величину теплового эффекта химической реакции выражают в джоулях на один моль какого-либо исходного вещества (реже – продукта реакции). Поэтому в термохимических уравнениях коэффициенты могут быть дробными. Например, термохимическое уравнение сгорания водорода в кислороде с образованием воды выглядит следующим образом: 
Н2 (г)+ 1/2О2 (г) = Н2О(ж); H – 285,84 кДж/моль (8.1)Принято также указывать агрегатное состояние участвующих в реакции веществ; ясно, что тепловой эффект образования водяного пара превышал бы тепловой эффект образования жидкой воды на теплоту, необходимую для осуществления фазового перехода Н2О(ж) → Н2О(г). Кроме того, в соответствии с рекомендациями Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), теплота, поступление которой извне требуется химической системе на осуществление реакции, считается положительной, а теплота, которая выделяется из системы в результате реакции – отрицательной. Реакция (8.1.) протекает с выделением теплоты (в системе осуществляется экзотермический процесс), поэтому перед значением теплового эффекта стоит знак минус.
Откуда же берется тепло при химической реакции, или на что оно расходуется? Рассмотрим в качестве примера реакцию горения метана, которая идет по схеме:
CH4 (г)+ 2O2(г) = CO2(г) + H2O (ж) (8.2)
Для того, чтобы перейти от состояния «исходные вещества» к состоянию «продукты реакции», нужно разорвать четыре связи С-Н и две связи С=О, а из возникших при этом атомов С, Н и О «собрать» молекулу О=С=О и две молекулы Н-О-Н. Разрыв устойчивых химических связей всегда требует затраты энергии, равной сумме энергий разрушаемых связей. Соединение атомов в молекулы, то есть образование химических связей, сопровождается выделением энергии, равной сумме энергий образовавшихся связей. Теплота при горении метана выделяется потому, что сумма энергий связей в молекулах продуктов СО2 и 2Н2О больше суммы энергий связей в молекулах СН4 и 2О2. Или, другими словами, на разрыв связей в исходных веществах требуется меньше энергии, чем еѐ выделяется при образовании продуктов реакции. «Избыток» энергии выделяется из системы при горении метана в виде 890,2 кДж теплоты на один моль метана. Если мы захотим провести обратную реакцию получения метана и кислорода из диоксида азота и воды, то нам придѐтся затратить те же 890,2 кДж/моль теплоты. Такое заключение вытекает из первого закона термохимии, или закона Лавуазье–Лапласа (который является следствием первого закона термодинамики):
Тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.
Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества. Например, горение водорода в кислороде с выделением теплоты:
Н2 (г)+ 1/2О2 (г) → Н2О(ж); H – 285,84 кДж/моль можно считать прямым процессом. При этом образуются на одну молекулу воды две водород-кислородные связи. Тогда обратным процессом будет разложение воды на водород и кислород, и на разложение одного моля воды придется затратить такое же количество энергии (например, электрической)H2О(ж) → H2(г) + O2(г) + 285, 84 кДж/моль,
так как для разложения воды придѐтся разорвать водород-
кислородные связи, энергия которых остаѐтся постоянной.
Задача термохимии состоит в том, чтобы посредством предварительных расчѐтов предсказать, каковы будут тепловые эффекты тех или иных реакций. В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции, или для того, чтобы обеспечить надлежащее охлаждение реакторам, в которых идут экзотермические процессы. В теплоэнергетике с помощью тепловых эффектов сгорания различных видов топлива рассчитывают выработку тепловой энергии. Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме человека для составления правильных рационов питания. Расчет теплового эффекта реакции по энергии химических связей возможен, но применяется нечасто, так как измерять эту энергию, особенно в молекулах с большим числом связей, сложно и дорого. Упростить расчѐты энергетики реакций помогает второй закон термохимии, который был сформулирован в 1840 г российским академиком Г. И. Гессом:
Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательных реакций будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и в конце этих рядов находятся одни и те же исходные и конечные вещества. Это значит, что законы термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое сходство с математическими функциями; это значит, в термохимических уравнениях можно переносить члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать формулы химических соединений. При этом необходимо учитывать коэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые, вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковом агрегатном состоянии.
Предположим, что нам известны тепловые эффекты следующих реакций:
½ N2(г) + ½ O2 (г) → NO (г); H +90,72 кДж/моль (8.3)
½ N2(г) + O2 (г) → NO2 (г); H +34,02 кДж/моль (8.4) Требуется определить тепловой эффект следующего процесса: 
NO (г) + ½ O2 (г) → NO2 (г); H ? (8.5)
Для этого нам нужно вывести уравнение реакции (8.5) из уравнений (8.3) и (8.4). Поскольку моноксид азота NO в уравнении реакции (8.5) является исходным веществом, нам нужна реакция, обратная реакции
(8.3):
NO (г) → ½ O2 (г) + ½ N2(г); H -90,72 кДж/моль (8.6) По закону Лавуазье-Лапласа знак теплового эффекта при этом меняется на противоположный.Складываем уравнения (8.6) и (8.4) и, соответственно, их тепловые эффекты (составляем цикл Гесса):
NO (г) → ½ O2 (г) + ½ N2(г); H -90,72 кДж/моль +
½ N2(г) + O2 (г) → NO2 (г); H9.4 +34,02 кДж/моль ____________________________________________________________ NO (г) + ½ N2(г) + O2 (г) → ½ O2 (г) + ½ N2(г) + NO2 (г); H -90,72 кДж/моль + 34,02 кДж/моль; сокращаем подобные члены и получаем:
NO (г) + ½ O2 (г) → NO2 (г); H -56,7 кДж/моль
Составлять циклы Гесса, подбирая и преобразовывая реакции с известными тепловыми эффектами, далеко не всегда просто. Поэтому существует другой способ расчѐта тепловых эффектов. Один моль любого вещества обладает определѐнным теплосодержанием, которое является мерой энергии, которую вещество накапливает при образовании. Теплосодержание можно выразить через теплоту образования этого вещества из простых веществ.
8.2 Теплота образования
Теплотой образования данного соединения называется количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль этого соединения из простых веществ. Например, выражение «теплота образования жидкой воды равна - 285,8 кДж/моль» означает, что при образовании 1 моль (18 г) жидкой воды из 1 моль (2 г) водорода и ½ моль (16 г) кислорода выделяется именно такое количество теплоты. Смешав в калориметре весовые количества водорода и кислорода, точно соответствующие 1 моль водорода и ½ моль кислорода, можно измерить теплоту образования одного моль воды при взрыве гремучего газа (- 285,8 кДж/моль). Подобным же образом можно измерить теплоту образования других веществ, например, входящих в уравнение реакции (8.2). Так, теплота образования метана равна -74,9 кДж/моль, а теплота образования диоксида углерода равна -393,5 кДж/моль. Кислород является простым веществом, а теплоты образования всех простых веществ принимаются равными нулю. При этом имеется в виду наиболее распространѐнная в данных условиях форма простого вещества, с соблюдением предварительных договорѐнностей. Так, например, при термохимических измерениях стандартным состоянием углерода считается графит, а не алмаз или уголь.