Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 30 из 68)
Для удобства сравнения теплот образования их рассчитывают для случая, когда температура исходных веществ и продуктов реакции равна 250С, или 298,16 К по абсолютной шкале. Теплоты образования, относящиеся к этой температуре, обозначают H 0обр.298 и называют стандартными при температуре 298,16К. Стандартная теплота образования вещества равна теплоте реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ в стандартных условиях. Решением Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) в 1975 году стандартное состояние определено следующим образом: «Стандартным состоянием для газов является состояние гипотетического идеального газа при давлении в 1 физическую атмосферу (101325 Па). Для жидкостей и твердых веществ стандартным состоянием является состояние чистой жидкости или соответственно чистого кристаллического вещества при давлении в 1 физическую атмосферу. Для веществ в растворах за стандартное состояние принято гипотетическое состояние, при котором энтальпия одномолярного раствора (1 моль вещества в 1 кг растворителя) равнялась бы энтальпии раствора при бесконечном разбавлении. Свойства веществ в стандартных состояниях обозначаются надстрочным индексом 0». Чистым веществом называется вещество, состоящее из одинаковых структурных частиц (атомов, молекул и др.).
Тепловой эффект реакции взаимодействия, например, водорода и кислорода с образованием воды (8.1) мы назовем стандартной теплотой образования воды из простых веществ только при условии, что изначально водород и кислород находились при атмосферном давлении и температуре 298 К, после чего произошла реакция с выделением большого количества теплоты, а затем продукт реакции (вода) вновь был охлажден до 298 К, отдав все полученное во время реакции тепло в окружающую среду. Стандартная теплота образования жидкой воды составляет -285,84 кДж/моль.
8.3 Энтальпия
Теплота образования химического соединения, находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии и в устойчивых при данной температуре и давлении фазах и модификациях, называется также стандартной энтальпией образования химического соединения. Энтальпия характеризует теплосодержание вещества и является функцией состояния термодинамической системы.
Зачем понадобилось вводить такое понятие, как энтальпия, которую обозначают таким же символом H , как и тепловой эффект, и чем они отличаются друг от друга? Дело в том, что наиболее удобным методом измерения тепловых эффектов для химиков долгое время служил способ проведения реакций в «бомбе» - замкнутом металлическом сосуде, который помещают в калориметр. В замкнутом сосуде продукты реакции лишены возможности изменять объем, поэтому они не могут выполнить какую-нибудь механическую работу. В этих условиях выделившееся сквозь стенки «бомбы» теплота условно равна внутренней энергии системы U , хотя это еще не вся энергия, заключавшаяся в данной реакции. Если давление в реакции возрастает, а «бомба» окажется не очень прочной, то еѐ просто разорвет, причем на эту работу будет потрачено еще какое-то количество энергии, которое мы «не замечаем» в том случае, если «бомба» осталась цела. Но большинство химических реакций химики проводят не при постоянном объеме (не в «бомбе»), а в открытых сосудах (т.е. при постоянном давлении). Поэтому потребовалась величина, аналогичная U , но измеряемая для реакций в открытых сосудах. Именно эта величина и называется энтальпией. Это тепловой эффект реакции, измеренный (или вычисленный) для случая, когда реакция происходит в открытом сосуде (т.е. при неизменном давлении, или в изобарноизотермическом процессе). Когда объем, занимаемый продуктами реакции, отличается от объема, занимаемого реагентами, химическая система может совершить дополнительную работу P V (где P - давление, V - изменение объема). Поэтому энтальпия H и внутренняя энергия U связаны между собой соотношением: 
H U P V .Это значит, что если реакция проводится не в «бомбе», то понятия «энтальпия» и «тепловой эффект» совпадают. Если мы проводим реакцию получения воды в открытом сосуде, то 285,84 кДж/моль - это тепло, содержащееся в водороде и кислороде для случая, когда мы получаем из них воду.
Если при измерении теплот образования вещества, участвующие в реакции горения метана (8.2), находились в стандартных условиях (при температуре 298 К и давлении 1 атмосфера, или 101 кПа), то их теплоты образования являются стандартными теплотами образования, или, что то же самое, стандартными энтальпиями образования, и обозначаются, соответственно, как H 0обр.298 .Существуют обширные таблицы стандартных энтальпий образования. Эти данные очень полезны для расчѐта тепловых эффектов реакций.
Для удобства сравнения тепловых эффектов их также рассчитывают для случая, когда температура исходных веществ и продуктов реакции равна 250С, или 298,16 К. Тепловые эффекты, относящиеся к этой температуре, обозначают H 2980 и называют стандартными тепловыми эффектами при температуре 298,16К. При постоянной температуре и давлении (в изобарноизотермическом процессе) тепловой эффект реакции равен изменению энтальпии процесса, которое также обозначается H 2980 . В химических процессах энтальпия H связана с изменением внутренней энергии системы U соотношением: 
U H nRT , (8.7)Где Δn – изменение числа моль газообразных продуктов реакции и исходных веществ, R - универсальная газовая постоянная, равная 8,3144 Дж/моль∙К, T – температура в градусах Кельвина.
Вычислим тепловой эффект (энтальпию)[11] сгорания метана, исходя из стандартных теплот (энтальпий)[12] образования метана (-74,9 кДж/моль) и продуктов его сгорания – жидкой воды (-285,8 кДж/моль) и диоксида углерода (-393,5 кДж/моль). Стандартная энтальпия кислорода как простого вещества равна нулю.
Для того чтобы реакция горения метана (8.2): CH4 (г)+ 2O2(г) = CO2(г) + 2 H2O (ж) осуществилась, нужно разложить 1 моль метана (то есть затратить теплоту, равную теплоте образования метана H 0обр.298 с обратным знаком) и позволить образоваться 1 моль диоксида азота (при этом выделится H 0обр.298 диоксида углерода) и 2 моль воды (при этом выделится 2 H 0обр.298 воды). Это значит, что для расчѐта энтальпии данной реакции необходимо сложить энтальпии образования продуктов реакции (диоксида углерода и воды, с учѐтом количества моль каждого вещества) и вычесть из этой суммы сумму энтальпий образования исходных веществ (в данном случае это только метан, так как энтальпия образования кислорода равна нулю).Сделанный нами вывод есть следствие из закона Гесса, которое лежит в основе расчѐта энтальпий химических реакций на основе энтальпий образования сложных веществ. Оно гласит:
Энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ, с учѐтом количества моль каждого вещества.
Математически его можно записать следующим образом:
H х.р. Hпрод (8.8)Для реакции (8.2) это выражение будет иметь вид:
H 0 х. 
o 
CHo 4}, или Hх.р. = {2∙ (-285,8) + (-393,5) – 0 –( -74,9 ) } = -890,2 кДж/моль.8.4 Теплота сгорания
Законы термохимии применимы ко всем процессам, протекающим с поглощением или выделением теплоты, однако особое значение имеют реакции сгорания различных видов топлива. Теплоты сгорания достаточно легко измерить на практике и применить для расчѐта энтальпий различных процессов, а также для определения энтальпий образования сложных веществ, которые нелегко, а иногда и невозможно, получить из простых веществ.