Yksinkertaisen aineen muodostumislämpö standardiolosuhteissa. Muodostumisen entalpia. Termokemiallinen reaktioyhtälö
Normaalimuodostumislämmöllä tarkoitetaan lämpövaikutusta, joka syntyy, kun yksi mooli ainetta muodostuu yksinkertaisista aineista, sen ainesosista, jotka ovat stabiileissa standarditilassa.
Esimerkiksi standardientalpia, jolla muodostuu 1 mooli metaania hiilestä ja vedystä, on yhtä suuri kuin reaktion lämpö:
C (tv) + 2H 2 (g) \u003d CH4 (g) + 76 kJ/mol.
Muodostumisen standardientalpiaa merkitään Δ H fO . Tässä indeksi f tarkoittaa muodostumista (koulutusta) ja yliviivattu ympyrä, joka muistuttaa Plimsol-kiekkoa, tarkoittaa, että arvo viittaa aineen standarditilaan. Kirjallisuudesta löytyy usein toinen nimitys standardientalpialle - ΔH 298,15 0, jossa 0 tarkoittaa painetta yhtä ilmakehää (tai, hieman tarkemmin, standardiolosuhteita), ja 298,15 on lämpötila. Joskus indeksiä 0 käytetään määrille, jotka liittyvät asiaan puhdasta ainetta, jossa määrätään, että sillä on mahdollista määrittää standarditermodynaamisia suureita vain silloin, kun kyseessä on puhdas aine, joka valitaan standarditilaksi. Standardina voidaan ottaa myös esimerkiksi aineen tila erittäin laimeassa liuoksessa. "Plimsol-levy" tarkoittaa tässä tapauksessa aineen todellista standarditilaa sen valinnasta riippumatta.
Kemiallisten prosessien energia on osa kemiallista termodynamiikkaa (osa yleistä termodynamiikkaa).
Energiatila kemiallinen reaktio kuinka systeemi kuvataan seuraavien ominaisuuksien avulla: U-sisäenergia, H-entalpia, S-entropia, G-Gibbsin energia.
Järjestelmän vastaanottamaa lämpöä käytetään sisäisen energian lisäämiseen ja työn tekemiseen: Q=D U+A. Jos järjestelmä ei tee muuta työtä kuin laajennustyötä, niin Q=D U+pD V. Arvoa D H=D U+pD V kohdassa p=const kutsutaan reaktion entalpiaksi. Koska on mahdotonta mitata kehon sisäenergiaa (vain muutos D U voidaan mitata), silloin on myös mahdotonta mitata kehon entalpiaa - laskelmissa käytetään entalpian muutosta D H.
Muodostumisen standardientalpia on reaktion isobarinen lämpövaikutus yhden moolin tuottamiseksi monimutkainen aine yksinkertaisista aineista vakaimmassa muodossaan normaaleissa olosuhteissa (T=298K, p=1 atm., C=1 mol/l). Yksinkertaisten aineiden muodostumisen entalpian vakaassa tilassa standardiolosuhteissa oletetaan olevan 0.
Termokemian lait:
1. Lavoisier-Laplace: kemiallisten yhdisteiden muodostumisen lämpövaikutus on sama, mutta etumerkillisesti päinvastainen kuin sen hajoamisen lämpövaikutus.
2. Hess: reaktion lämpövaikutus vakiopaineessa tai tilavuudessa riippuu vain järjestelmän alku- ja lopputilasta, eikä se riipu siirtymäreitistä.
Haje on järjestelmän epäjärjestyksen määrällinen mitta. Sillä on tilastollinen merkitys ja se on ominaisuus järjestelmille, jotka koostuvat riittävän suuresta mutta rajallisesta määrästä hiukkasia. Entropia ilmaistaan järjestelmän termodynaamisella todennäköisyydellä - tiettyä mikrotilaa vastaavien mikrotilojen lukumäärällä. Oletetaan, että absoluuttisessa nollapisteessä ideaalisen kiteen entropia on 0. Oletetaan myös, että hydratoidulle protonille H + entropian itseisarvo vesiliuoksessa on 0. Entropia riippuu: hiukkasten lukumäärästä järjestelmä, aineen luonne ja aggregaatiotila. Kemiallisissa reaktioissa entropian muutos lasketaan komponenttien entropian itseisarvoista. Vesiliuoksessa tapahtuvien reaktioiden osalta laskenta suoritetaan käyttämällä lyhyttä ionikaavaa. Kaasumaisilla aineilla D S:n merkki määräytyy tilavuuden muutoksen perusteella. Jos äänenvoimakkuus ei muutu, merkkiä ei voida määrittää. Eristetyissä järjestelmissä prosessit ovat mahdollisia, kun entropia kasvaa. Tämä tarkoittaa, että merkki D S voidaan ottaa kriteerinä mahdolliselle spontaanille reaktiolle (vain eristetyissä järjestelmissä!). Yleensä tätä kriteeriä ei voida soveltaa avoimissa järjestelmissä.
Energian ja entropiatekijöiden kokonaisvaikutus vakiopaineessa ja lämpötilassa heijastaa isotermisen potentiaalin muutosta, jota kutsutaan Gibbsin vapaan energian muutokseksi: D G=D H-TD S. ilmaista energiaa Gibbsiä kutsutaan energiaksi, joka koostuu kemiallisten sidosten energioista. Merkki D G on prosessin spontaanin virtauksen termodynaamisen todennäköisyyden kriteeri tietyissä olosuhteissa (p,T=const). Näissä olosuhteissa vain ne prosessit D G, joiden D G on pienempi kuin 0, voivat edetä spontaanisti. ei otettu huomioon lämpötilariippuvuus entalpia ja entropia. Matalissa lämpötiloissa tapahtuu pääasiassa eksotermisiä reaktioita. Korkeissa lämpötiloissa päärooli on yhtälön entropiatermillä, joka voidaan nähdä esimerkistä, että monimutkaisten aineiden hajoamisreaktiot yksinkertaisiksi tapahtuvat pääasiassa korkeassa lämpötilassa.
Aineen standardi Gibbs-energia on energia, joka saadaan tietyn aineen saamiseksi standardiolosuhteissa. Vakioehtoja ei käytännössä ole, joten kaikki standardiarvoja käyttävät laskelmat ovat likimääräisiä.
Vakioehdot
Reaktioiden lämpövaikutukset riippuvat olosuhteista, joissa ne tapahtuvat. Siksi, jotta voimme verrata saatuja reaktioiden lämpövaikutusten arvoja, aineiden muodostumisen entalpioita, sovimme niiden määrittämisestä tai tuomisesta tiettyihin, identtisiin, ns. vakioolosuhteet. Vakio-olosuhteiksi katsotaan 1 mooli puhdasta ainetta paineessa 101 325 Pa (1 atm tai 760 mm Hg) ja lämpötilassa 25 °C tai 298 K. Liuoksena olevien aineiden pitoisuus on yhtä suuri kuin yksi mooli litrassa (C \u003d 1 mol / l). Lisäksi oletetaan, että liuos käyttäytyy tässä pitoisuudessa täsmälleen samalla tavalla kuin äärettömällä laimennuksella, ts. on ihanteellinen. Sama oletus koskee aineita, jotka ovat kaasumaisessa tilassa (kaasu on ikään kuin ihanteellinen sekä 1 ilmakehän paineessa että paljon alhaisemmassa paineessa).
Siksi reaktiojärjestelmän entalpian muutoksella siirtymisen aikana tilasta toiseen standardiolosuhteissa on myös standardi luonne. Siksi kutsutaan myös entalpiaa, joka muodostuu yhden moolin kompleksista ainetta yksinkertaisista aineista standardiolosuhteissa standardientalpia (lämpöä ) koulutus.
Muodostumisentalpian standardimuutoksia merkitään DYa:lla (^ s. Seuraavassa kutsumme niitä yksinkertaisesti aineiden muodostumisen standardientalpioiksi tai reaktioentalpioiksi (sana jätetään pois muuttaa). Esimerkiksi nestemäisessä tilassa olevan veden muodostumisen standardientalpia merkitään seuraavasti:
Tämä merkintä tarkoittaa, että vakio-olosuhteissa yhden moolin nestemäisessä tilassa olevaa vettä yksinkertaisista aineista seuraa 285,85 kJ:n häviö reagoivassa järjestelmässä. Tämän reaktion termokemiallinen yhtälö näyttää tältä:
Useimpien tunnettujen aineiden muodostumisen standardientalpiat on määritetty empiirisesti tai laskettu ja tiivistetty aineiden termodynaamisten ominaisuuksien referenssitaulukoihin.
Yksinkertaisten aineiden (esim. H 2 (g), O 2 (g), Cu (cr) ja muiden aineiden) muodostumisentalpioiden standardiarvot niille aggregaattitiloille, joissa nämä aineet ovat stabiileja, pidetään yhtä suurena. nollaan, ts.
Yhdisteen muodostumisen standardientalpia on sen termodynaamisen stabiilisuuden ja lujuuden mitta, ja se on luonteeltaan jaksollinen yhdelle luokalle, samantyyppiselle aineryhmälle.
Joskus standarditilan valinnassa on poikkeuksia, esimerkiksi kun puhumme höyryisen veden standardimuodostuslämmöstä, tarkoitamme, että muodostuu vesihöyryä, jonka paine on 101,3 kPa ja lämpötila 25 °C. . Mutta 25 °C:ssa vesihöyryllä on paljon pienempi tasapainopaine. Tämä tarkoittaa, että veden muodostumislämpö höyrytilassa Dc 2 o(n) on puhtaasti ehdollinen tila.
Termokemialliset lait
Hessin laki
Kemiallisen reaktion lämmön riippumattomuus prosessin reitistä klo R = vakio ja T = const perustettiin 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla. Venäläinen tiedemies G. I. Hess. Hess muotoili lain, joka nyt kantaa hänen nimeään: kemiallisen reaktion lämpövaikutus ei riipu sen esiintymisreitistä, vaan riippuu vain lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden luonteesta ja fysikaalisesta tilasta.
Tämä laki pätee niihin vuorovaikutuksiin, jotka tapahtuvat isobaris-isotermisissä (tai isokooris-isotermisissä) olosuhteissa, vaikka ainoa työtyyppi on työ ulkoisia painevoimia vastaan.
Kuvittele, että on olemassa reaktiojärjestelmä, jossa aineita A Ja SISÄÄN muuttua tuotteiksi D Ja E, termokemiallisen yhtälön mukaan:
Tämän reaktion entalpian muutos АH^ eacci. reaktiotuotteet D Ja E voidaan saada suoraan ja suoraan lähtöaineista A Ja SISÄÄN , kuten kaaviomaisesti esitetään kuvassa. 2.2, mutta polkua 1-2 pitkin ohittaen mahdolliset välivaiheet. Lämpövaikutus tässä muunnosmenetelmässä (kuva 2.2, 6) on yhtä suuri kuin:
Hanki samat tuotteet D Ja E se on mahdollista suorittamalla prosessi minkä tahansa väliaineen muodostamisen kautta, esimerkiksi polkua 1-3 4-5-2 tai 1-6-7-2 pitkin (kuva 2.2, A). Lisäksi jokainen koulutusvaihe
väliaineille on tunnusomaista niiden lämpövaikutus tai entalpian muutos: D H 1, DN 2, DN 3, DN 4, DN 5, DN 6 ja DN 7 kullekin prosessipolun osuudelle (kuva 2.2, b).
Riisi. 2.2. :
A - mahdolliset menetelmät prosessin toteuttamiseksi; b - kaavioita välivaiheiden entalpioiden muuttamisesta riippuen reaktioreitistä
Jos tarkastellaan prosessin energiamuutosten lopputulosta välivaiheiden kautta, niin käy ilmi, että se on yhtä suuri kuin välivaiheiden entalpioiden muutoksen algebrallinen summa:
Toisin sanoen reaktion lämpövaikutus ei riipu prosessin suoritustavasta, vaan riippuu vain lähtöaineiden alkutilasta ja reaktiotuotteiden lopputilasta (kuva 2.2, b).
Tietyssä reaktiossa, esimerkiksi raudan hapettumisessa hapen kanssa, tarkistamme Hessin lain toteutettavuuden. Tämän prosessin termokemiallinen yhtälö on:
Käydään tämä prosessi läpi vaihe vaiheelta. Ensin hapetetaan rauta rautaoksidiksi (I) yhtälön mukaisesti:
lavastan :
jonka lämpövaikutus on 2 263,7 kJ, ja sitten hapetamme rauta(I)oksidin toisessa vaiheessa rauta(III)oksidiksi yhtälön mukaisesti:
II vaihe-.
jossa vapautuu 293,9 kJ. Lisäämällä reaktioiden ensimmäisen ja toisen vaiheen yhtälöt, saamme:
Näiden vaiheiden kokonaislämpövaikutus on myös 821,3 kJ, ikään kuin prosessi olisi suoritettu ilman välivaiheita. Eli Hessin laki täyttyy.
Termokemiallisia yhtälöitä voidaan lisätä ja vähentää kuten tavallisia algebrallisia yhtälöitä.
Harkitse esimerkkiä Hessin laista toisella esimerkillä.
Tunnettu:
Etsi DH° seuraaville reaktioille:
Alkutietojen perusteella on tarkoituksenmukaista tehdä kaavio mahdollisista CO 2:n muodostumisreiteistä (kuva 2.3).
Riisi. 2.3.
Hessin lain mukaan
Sama tulos voidaan saavuttaa, sillä reaktioyhtälö (3) voidaan saada vähentämällä yhtälö (2) yhtälöstä (1). Samanlainen toiminta lämpövaikutuksineen antaa
Saadaksemme yhtälön (4), meidän on vähennettävä yhtälö (2) yhtälöstä (1) kerrottuna 2:lla.
Käytännön kannalta Hessin lain seuraukset ovat tärkeitä. Tarkastellaan kahta niistä.
Hessin lain ensimmäinen seuraus
Tämä seuraus liittyy yhdisteiden muodostumislämpöön. Muodostumisen lämpö (entalpia). yhdisteitä kutsutaan lämmön määräksi,
vapautuu tai imeytyy muodostuessaan 1 mooli tätä yhdistettä yksinkertaisista aineista, jotka ovat stabiilisimmassa tilassa tietyissä olosuhteissa. (Yksinkertaiset aineet koostuvat samantyyppisistä atomeista, esim. N 2, H 2, 0 2, C, S, Fe jne.) Tässä tapauksessa reaktio voi osoittautua hypoteettiseksi, ts. ei todellakaan virtaa. Esimerkiksi kalsiumkarbonaatin muodostumislämpö on yhtä suuri kuin reaktion lämpö, kun muodostuu 1 mooli kiteistä kalsiumkarbonaattia metallisesta kalsiumista, grafiitin muodossa olevasta hiilestä ja kaasumaisesta hapesta:
Stabiilien yksinkertaisten aineiden (N 2 , H 2 , 0 2 , Fe jne.) muodostumisen kuumuudet (entalpiat) ovat nolla.
Merkitään aineen muodostumislämpöä DY oG)p
Hessin lain ensimmäisen seurauksen mukaan minkä tahansa reaktion lämpövaikutus voidaan laskea muodostumisen tenloteista (entalpioista): reaktion lämpövaikutus on yhtä suuri kuin reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden muodostumislämpöt (entalpiat) erotus stoikiometriset kertoimet huomioon ottaen.
(2.11)
Tilauskuvakkeet täällä j Ja і viittaavat vastaavasti reaktiotuotteisiin ja lähtöaineisiin; v- stoikiometriset kertoimet.
Kuvion kaavio 2.4 havainnollistaa tämän seurauksen todistetta. Yhtälö (2.11) seuraa vektorien summaussääntöä.
Riisi. 2.4.
Kuten kohdassa 2.4 todettiin, muodostumislämpöt kutsutaan yleensä standardiolosuhteiksi ja niitä kutsutaan yhdisteen muodostumisen standardilämpö (entalpia). ja merkitse AHob r. Yleisimpien yhdisteiden Anob-arvot on annettu termodynaamisissa vertailutaulukoissa. Niiden avulla lasketaan kemiallisten reaktioiden standardilämpövaikutukset AN 0:
Hessin lain toinen seuraus
Huomaa, että kaikissa yllä olevissa esimerkeissä käytettiin yksittäisten aineiden muodostumisen standardientalpioita (lämpöjä). Mutta joidenkin yhdisteiden osalta ei ole mahdollista määrittää niitä suoraan kokeellisesti, jos lähdetään vain yksinkertaisista aineista. Tällaisissa tapauksissa G. I. Hessin lakia käytetään laskemaan muodostumisen standardientalpiat (lämpöt) tunnettujen palamisen entalpiat (lämmöt). nämä aineet, koska useimmissa näistä tapauksista on mahdollista suorittaa yksinkertaisten ja monimutkaisten aineiden täydellisen palamisen reaktio.
Samaan aikaan alle lämpöarvo ymmärtää 1 moolin monimutkaista ainetta (tai 1 moolin yksinkertaisen aineen atomeja) palamisen lämpövaikutus, kunnes muodostuu stabiileja oksideja.
Normaalit lämpöarvot viitataan 25 °C:seen (298 K) ja paineeseen
- 101,3 kPa. Hapen ja palamistuotteiden palamislämmöt niiden vakaassa tilassa normaaleissa olosuhteissa (25°С,
- 101,3 kPa), so. pitää kaasumaisen hapen, typen, hiilidioksidin, rikkidioksidin, nestemäisen veden ja muiden palamattomien aineiden energiasisältöä ehdollisesti nollaksi.
Aineiden palamislämmön tuntemisen käytännön merkitys on, että niiden arvoilla voidaan laskea kemiallisten reaktioiden lämpövaikutuksia samalla tavalla kuin aineiden muodostumisen entalpioita (lämpöjä) käytettäessä. Loppujen lopuksi reaktion lämpövaikutus ei riipu sen toteuttamismenetelmästä, välivaiheista, vaan sen määräävät vain lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden alku- ja lopputila Hessin lain mukaan. erityisen suuria käytännön arvoa lämpöarvoja käytetään määrittämään orgaanisia yhdisteitä sisältävien reaktioiden lämpövaikutukset. Esimerkiksi metaanin muodostumislämpö yksinkertaisista aineista
ei voi mitata suoraan. Orgaanisen aineen muodostumislämmön määrittämiseksi se poltetaan ja monimutkaisen orgaanisen aineen palamislämmön ja yksinkertaisten aineiden palamislämmön perusteella löydetään sen muodostumislämpö. Metaanin muodostumislämmön ja reaktiotuotteiden palamislämmön välinen suhde näkyy kaaviossa (kuva 2.5).
Hessin lain mukaan ensimmäisen ja toisen polun lämpövaikutusten on oltava samat
Yksinkertaisen aineen, esimerkiksi grafiitin ja vedyn palamislämpö stabiiliksi oksidiksi, ts. ennen hiilidioksidin tai veden muodostumista, on sama kuin hiilidioksidin tai veden muodostumislämpö:
Riisi. 2.5.
Kun tämä otetaan huomioon, saamme:
Korvaamalla yhtälöön vastaavien muodostumislämpöjen numeeriset arvot, saadaan:
Joissakin termodynaamisissa käsikirjoissa on taulukoita isobaarisista palolämpöistä - A//J rop useista orgaanisista aineista, joita voidaan käyttää laskelmissa. Jos reaktiossa on kuitenkin mukana palamattomia aineita, lämpövaikutus voidaan määrittää vain muodostumislämpöistä. Esimerkiksi:
standardiolosuhteissa lämpövaikutus on:
nuo. tämä reaktio on eksoterminen Q = +168,07 kJ/mol.
Hessin laki ja sen seuraukset toimivat perustana kaikille lämpökemiallisille laskelmille, kun taas on välttämätöntä, että kaikki palamis- tai muodostumislämmöt viittaavat samoihin olosuhteisiin - isobaarisiin tai isokorisiin. Termodynaamiset taulukot antavat arvot AN muodostuminen tai palaminen standardiolosuhteissa (/? = 101,3 kPa ja T = 298 K), so. isobaari-isotermiseen prosessiin.
Siirry Qp:stä kohteeseen Qn
sinun on käytettävä yhtälöä: 
Elintarvikkeiden kemialliset muutokset kehossa, kuten kaikki kehon ulkopuolella tapahtuvat kemialliset reaktiot, noudattavat lämpökemian lakeja. Näin ollen Hessin laki antaa aiheen käyttää ruoka-aineiden palamislämpöä edustamaan niiden hapettumisen energiaa kehossa. Siitä huolimatta ravinteita, jotka viedään kehoon, kulkeutuvat lopulliseen muuttumiseensa asti kova tapa ja osallistuvat suureen määrään reaktioita, kaikkien näiden reaktioiden kokonaisenergiavaikutus Hessin lain mukaan on yhtä suuri kuin lisättyjen aineiden suoran palamisen lämpövaikutus.
Esimerkiksi, kun poltetaan yksi mooli glukoosia (hiilidioksidiksi ja vedeksi) kalorimetrisessa pommissa, vapautuu 2816 kJ, mikä tarkoittaa, että täydellisen hapettumisen ja yhden glukoosimoolin kehossa energiamäärä, joka vastaa 2816 kJ on ilmestynyt. Glukoosin hapettumisen reitit kalorimetrisessa pommissa ja organismissa ovat erilaisia, mutta energiavaikutus on molemmissa tapauksissa sama, koska reaktioon osallistuvien aineiden alku- ja lopputila ovat samat.
Termokemialliset laskelmat
Reaktioiden lämpövaikutusten, yhdisteiden muodostumislämpöjen määrittämiseen liittyvät lämpökemialliset laskelmat mahdollistavat jossain määrin prosessin todennäköisen suunnan ennustamisen ja likimäärin karakterisoi liitoksen lujuuden. Kaikki laskelmat perustuvat kahteen lämpökemian lakiin ja sen peruskäsitteisiin ja määritelmiin.
Harkitse muutamaa konkreettisia esimerkkejä termokemialliset laskelmat.
Esimerkki 2.1. Määritä kiteisen Al 2 0 3:n ja kaasumaisen S0 3:n kiteisen Al2(SO4)3:n 298 K:n lämpötilassa 298 K:n reaktion standardilämpövaikutus А// 0:
Tähän reaktioon osallistuvien aineiden muodostumisen standardientalpiat 298 K:n lämpötilassa ovat:
Sitten yhtälön (2.12) avulla löydämme
Ratkaisu. Kirjoitamme metaanin palamisen termokemiallisen yhtälön
Aineiden termodynaamisten ominaisuuksien käsikirjasta kirjoitamme lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden muodostumisentalpioiden (muodostumislämpöjen) standardiarvot:
Koska hiilidioksidia (1 mol) ja vettä (2 mol) muodostuu nestemäisessä tilassa metaanin palamisen aikana, laadimme termokemialliset yhtälöt näiden aineiden muodostumiselle yksinkertaisista aineista:
Ja koska palamisen aikana metaani CH 4 (g) hajoaa muuttuen nestemäiseksi vedeksi ja hiilidioksidiksi, kirjoitamme termokemiallisen yhtälön metaanin hajoamisesta yksinkertaisiksi aineiksi:
Kun nämä kolme viimeistä yhtälöä lisätään, saadaan termokemiallinen yhtälö metaanin palamisreaktiolle:
Siten tämän reaktion lämpövaikutus standardiolosuhteissa on yhtä suuri kuin Q °„ \u003d 890,94 kJ / mol tai muutos reaktion entalpiassa on DH ° ktsnn \u003d - 890,94 kJ / mol.
Jos tarkastelet huolellisesti, kuinka tämä numeerinen arvo saatiin, käy ilmi, että reaktiotuotteiden muodostumislämpöjen summasta vähennettiin alkuperäisten aineiden muodostumislämpöjen summa. Tämä seurauksena Hessin laista, joka voidaan kirjoittaa seuraavasti:
Tai reaktion entalpian muutoksen käsitteeseen liittyen:
Ongelmaamme sovellettaessa reaktion lämpövaikutus voidaan laskea laatimatta yhtälöitä aineiden muodostumiselle ja hajoamiselle:
Tai korvaamalla numeeriset tiedot, saamme:
Samanlainen laskelma voidaan suorittaa käyttämällä ei muodostumislämpöjä, vaan entalpioita:
Esimerkki 2.3. Laske reaktion lämpövaikutus:
Palamisen entalpiat ovat:
asetyleenille (g) DHa = -1298,3 kJ/mol; bentseenille (l) AN" = -3264,2 kJ/mol.
Yhtälön (2.13) avulla löydämme
Kun tiedät palamislämmön, muodostumislämpö on helppo määrittää ja päinvastoin. Jos esimerkiksi metyylialkoholin palamislämpö on -729 kJ/mol, niin CO 2:n ja H 2 0:n muodostumislämmön arvoja käyttämällä voidaan laatia seuraavat termokemialliset yhtälöt:
)
Kerrotaan yhtälö (V) 2:lla, lisäämällä yhtälöllä (b) ja vähentämällä yhtälöllä (a), saadaan muunnosten jälkeen metyylialkoholin muodostumisreaktio
Suoritettuamme samanlaisia muunnoksia reaktioiden lämpövaikutuksilla, saamme metyylialkoholin muodostumisen lämpövaikutuksen AN
Hessin laki pätee myös monimutkaisiin biokemiallisiin prosesseihin. Näin ollen hiilihydraattien ja rasvojen hapettumisen aikana saatu lämpömäärä elävässä organismissa, jossa nämä prosessit etenevät useissa vaiheissa, ja näiden aineiden palaessa hapessa vapautuva lämpömäärä osoittautui yhtä suureksi. Proteiineille tämä ei pidä paikkaansa, koska proteiinien hapettumisen lopputuote kehossa on urea, kun taas hapessa proteiinien hapettuminen on täydellinen.
Artikkelin sisältö
KEMIALLINEN TERMODYNAMIIKKA, pohtii työn ja energian suhdetta kemiallisiin muutoksiin. Koska kemialliseen muutokseen liittyy yleensä tietyn määrän lämpöä vapautumista tai imeytymistä, se, kuten muutkin luonnonilmiöt (mukaan lukien sähköiset ja magneettiset) lämpövaikutuksineen, noudattaa termodynamiikan perusperiaatteita (alkuja). Kemiallinen termodynamiikka määrittää ennen kaikkea olosuhteet (kuten lämpötila ja paine) kemiallisten reaktioiden esiintymiselle ja niiden saavuttamalle tasapainotilalle. Lämpöilmiöiden analyysi perustuu kolmeen perusperiaatteeseen, jotka ovat vahvistaneet lukuisat havainnot.
Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö.
Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö ilmaisee pohjimmiltaan energian säilymisen lain. Järjestelmälle, jota ympäröi suljettu raja, jonka läpi ei tapahdu aineen siirtoa, suhde
Missä U 1 ja U 2 – järjestelmän energiat tiloissa 1 ja 2; K– ulkoisista lähteistä saatu lämpö; W- järjestelmän ulkoisille kappaleille tekemä työ prosessissa, jossa järjestelmä siirtyy tilasta 1 tilaan 2. Jos prosessi on kemiallinen reaktio, niin se yleensä suoritetaan sellaisissa olosuhteissa, että energia on mahdollista erottaa kemiallinen muunnos energiasta, joka liittyy samanaikaisiin lämpötilan tai paineen muutoksiin. Siksi kemiallisen reaktion energia (lämpö) määritetään yleensä olosuhteissa, joissa tuotteet ovat samassa lämpötilassa ja paineessa kuin reagoivat aineet. Kemiallisen reaktion energian määrää sitten lämpö K saatu tai siirretty ympäristöön. Mittaus K voidaan tehdä kalorimetrillä sopiva tyyppi. Reaktio voitaisiin suorittaa esimerkiksi metalliastiassa, joka on upotettu lämpöeristettyyn vesitilavuuteen, jonka lämpötilan muutos (yleensä useita asteita) vastaa reaktiolämpöä. Kvantitatiivisia mittauksia varten kalorimetri kalibroidaan yleensä itsenäisellä sähkölämmittimellä tai suorittamalla kemiallinen reaktio astiassa, jonka lämpö tunnetaan.
Hitaat reaktiot ovat erityisen vaikeita kalorimetrisissä mittauksissa, koska tarvitaan monimutkaisia varotoimia kalorimetrin suojaamiseksi lämmönvaihdolta ympäristön kanssa. Ns. adiabaattinen kalorimetri on upotettu kokonaan isotermiseen kuoreen, jossa on itsenäinen lämmitys, jonka lämpötila kokeen aikana pidetään mahdollisimman lähellä kalorimetrin sisällä olevaa lämpötilaa. Reaktiot, jotka vapauttavat lämpöä (negatiivinen K yhtälössä (1)) kutsutaan eksotermisiksi, ja reaktioita, joissa lämpö absorboituu, kutsutaan endotermisiksi.
Kuten yhtälö (1) osoittaa, reagoivan järjestelmän sisäinen energia ei määräydy pelkästään vapautuneen tai absorboidun lämmön määrällä. Se riippuu myös siitä, kuinka paljon energiaa järjestelmä kuluttaa tai hankkii tehdyn työn kautta. Jatkuvalla paineella s järjestelmän tekemä kokonaistyö kuvataan lausekkeella s (V 2 – V 1) +Me, jossa ensimmäinen termi on laajennustyö, joka liittyy tilavuuden muutokseen alkaen V 1 - V 2 ja Me- ylimääräinen tai ns. "hyödyllinen", järjestelmän tekemä työ laajennustyön lisäksi. Jos järjestelmässä tehdään työtä, molemmilla termeillä on negatiivinen etumerkki. Siksi yhtälö (1) voidaan muuntaa muotoon
Esitetään järjestelmän energian apumitta H, määräytyy yleisen suhteen perusteella
Jos paine on vakio (yleensä 1 atm:n paine otetaan vakiona), funktion muutos H, jota kutsutaan järjestelmän entalpiaksi, eroaa sen sisäisen energian muutoksesta laajenemistyön arvolla:
Kaasufaasijärjestelmiä lukuun ottamatta tämä ero on mitätön verrattuna reaktioiden tyypillisiin lämpövaikutuksiin. Yleisessä tapauksessa kaavasta (2) kuitenkin seuraa, että lämpö K mitattuna vakiopaineessa ja Me= 0 (tavallinen ehto kemiallisen reaktion tapahtumiselle, jos sitä ei tapahdu esimerkiksi akussa tai galvaanisessa kennossa), on yhtä suuri kuin muutos järjestelmän entalpiassa:
Joka tapauksessa, koska ero H 2 – H 1, samoin kuin U 2 – U 1 , määräytyy termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan yksinomaan järjestelmän alku- ja lopputilasta, eikä se riipu menetelmästä, jolla siirrytään alkutilasta lopputilaan, prosessissa absorboituneen lämmön kokonaismäärästä. kemiallinen muutos vakiolämpötilassa ja paineessa (at Me= 0) riippuu vain alkureagensseista ja lopputuotteista, eikä se riipu välivaiheista, joiden läpi reaktio etenee.
Tässä suluissa olevat kirjaimet osoittavat aineiden (kaasu tai neste) aggregoituja tiloja. Symboli D H° tarkoittaa entalpian muutosta kemiallisessa muutoksessa vakiopaineessa 1 atm ja lämpötilassa 298 K (25 °C) (astemerkki yläindeksissä H osoittaa, että tämä arvo viittaa aineisiin standarditilassa (at s= 1 atm ja T= 298 K)). Kemiallinen kaava kukin aine tällaisessa yhtälössä tarkoittaa tarkasti määriteltyä määrää ainetta, nimittäin sen molekyylipainoa grammoina ilmaistuna. Molekyylipaino saadaan laskemalla yhteen kaikkien kaavaan sisältyvien alkuaineiden atomimassat kertoimilla, jotka ovat yhtä suuria kuin tietyn alkuaineen atomien lukumäärä molekyylissä. Metaanin molekyylipaino on 16,042, ja edellisen yhtälön mukaan 16,042 g:n (1 mol) metaania palaessa syntyy tuotteita, joiden entalpia on 212,798 kcal pienempi kuin reagoivien aineiden entalpia. Yhtälön (5) mukaisesti tämä määrä lämpöä vapautuu, kun 1 mooli metaania palaa hapessa vakiopaineessa 1 atm. Järjestelmän sisäisen energian vastaava lasku reaktion aikana on 211,615 kcal. Ero D:n välillä H° ja D U° on yhtä suuri kuin -1,183 kcal ja edustaa työtä s (V 2 – V 1), suoritetaan, kun 3 moolia kaasumaisia reagensseja puristetaan 1 atm:n paineessa 1 mooliin kaasumaista hiilidioksidia ja 2 moolia nestemäistä vettä.
Normaali muodostumislämpö.
Energian säilymisen laista seuraa, että kun aine muodostuu atomeista ja (tai) yksinkertaisemmista aineista, järjestelmän sisäinen energia tai entalpia muuttuu tietyn määrän, jota kutsutaan tämän aineen muodostumislämmöksi. Muodostumislämpö voidaan määrittää eri tavoilla, mukaan lukien suorat kalorimetriset mittaukset ja epäsuorat laskelmat (Hessin lain perusteella) reaktiolämmöstä, johon tietty aine osallistuu. Laskelmia tehdessään he käyttävät standardia (ja s= 1 atm ja T= 298 K) reaktioyhtälöön sisältyvien aineiden muodostumislämmöt. Esimerkiksi metaanin muodostumisen standardilämpö (entalpia) voidaan laskea käyttämällä termokemiallista yhtälöä
Vaikka tämä reaktio ei ole käytännöllinen 25 °C:ssa, metaanin standardimuodostuslämpö lasketaan epäsuorasti metaanin, vedyn ja grafiitin mitatuista palamislämpöistä. Hessin lain perusteella todetaan, että reaktiolämpö on yhtä suuri kuin yhtälön vasemmalla puolella merkittyjen aineiden palamislämmöt ja oikealla puolella olevien aineiden palamislämmöt. reaktioyhtälö (otettu sopivilla etumerkeillä ja stoikiometrisillä kertoimilla).
Sen lisäksi, että lämpökemiallisia tietoja käytetään lämpöenergian käytännön käytön ongelmien ratkaisemiseen, niitä käytetään laajasti kemiallisten sidosenergioiden teoreettisessa arvioinnissa. L. Pauling pohtii tätä kysymystä yksityiskohtaisesti kirjassa Luonto kemiallinen sidos (Kemiallisen sidoksen luonne, 1960).
Termodynamiikan toinen pääsääntö.
Termodynamiikan toinen pääsääntö määrittää olennaisesti lämmönsiirron yksisuuntaisuuden erilaisissa spontaanisti tietyissä olosuhteissa tapahtuvissa prosesseissa, nimittäin lämmönsiirron suunnan kappaleista, joilla on korkea lämpötila alhaisiin lämpötiloihin. Termodynamiikan toinen pääsääntö voidaan muotoilla seuraavasti: spontaania yleistä lämmön siirtymistä vähemmän kuumennetuista kappaleista kuumempiin kappaleisiin ei voi tapahtua.
Lämmönsiirto K lähteestä, jossa on lämpötila T voidaan luonnehtia K/T. Kaikille spontaaneille lämmönsiirtoprosesseille, joissa lähde on lämpötila T 1 luovuttaa lämmön määrän K 1 , ja siirron seurauksena järjestelmä lämpötilalla T 2 vastaanottaa lämpömäärän K 2, Clausiuksen epätasa-arvo K 1 /T 1 Ј K 2 /T 2. Jotta lämmönsiirto siis tapahtuisi, T 1 pitäisi olla enemmän T 2. Järjestelmän siirtymiselle tilasta toiseen termodynamiikan toisen pääsäännön yleisempi muotoilu sanoo, että lämmönsiirron suunta määräytyy ehdon mukaan.
Missä S 2 – S 1 on ero järjestelmän entropioiden välillä kahdessa tilassa. Jos yhdistämme tämän ehdon yhtälöiden (2) ja (3) kanssa, saadaan relaatio, joka on tärkeä kuvaamaan kemiallista reaktiota vakiolämpötilassa ja paineessa:
Jos esittelemme järjestelmän tilafunktion
silloin termodynamiikan toisen pääsäännön muoto on seuraava:
Tämä tarkoittaa, että järjestelmässä, jossa lämpötila ja paine ovat vakiona, voi tapahtua vain sellaisia siirtymiä tilasta toiseen, jotka ovat hyödyllisiä. Me ei ylitä tiettyä enimmäisarvoa, joka on yhtä suuri kuin erotus D G kaksi arvoa G. Jos G 1 > G 2, silloin siirtyminen tilasta 1 tilaan 2 (esimerkiksi lähtöaineista tuotteiksi) voi tapahtua spontaanisti, vaikka Me= 0. Jos G 2 > G 1, niin siirtyminen tilasta 1 tilaan 2 voidaan suorittaa vain ulkoisen takia hyödyllistä työtä; se tarkoittaa sitä työtä Me on oltava negatiivinen arvo, kuten esimerkiksi veden elektrolyyttiseen hajoamiseen kuluva sähköenergia. Jos G 1 = G 2, niin järjestelmä on tasapainossa.
Toiminto G kutsutaan Gibbsin energiaksi tai isobaariseksi isotermiseksi potentiaaliksi. Useat menetelmät ovat osoittaneet, että D:n arvo G° , "standardi Gibbsin muodostumisenergia" voidaan määrittää kemiallisille yhdisteille suhteessa alkuaineisiin analogisesti muodostumisen standardientalpian kanssa kemiallisen tasapainon ja kemiallisen prosessin tiedoista. Normaali Gibbsin muodostumisenergia D G° , joka luonnehtii mitä tahansa kemiallista reaktiota, voidaan määrittää käyttämällä taulukoita standardi Gibbsin muodostumisenergioista vähentämällä niiden reaktanttien arvojen summa tuotteiden arvojen summasta. D arvot G° puhtaaksi kemiallisia alkuaineita 25°C:ssa ja 1 atm:n paineessa otetaan nolla.
Kemiallisen reaktion standardi Gibbsin energia on pohjimmiltaan mitta siitä, kuinka kaukana reagoivat aineet ja tuotteet ovat tasapainossa keskenään tietyssä lämpötilassa ja 1 atm:n standardipaineessa. Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan kaikki spontaanit muutokset järjestelmässä ja sen ympäristössä pyrkivät saattamaan ne lopulliseen tasapainotilaan. Siksi Gibbsin energian muutos, ei entalpian tai sisäisen energian muutos, määrää kemiallisen reaktion mahdollisuuden. Erityisesti kemiallisten virtalähteiden elektrodien välinen potentiaaliero riippuu Gibbsin energian muutoksesta kemiallisen reaktion aikana.
Gibbsin energian standardimuutos liittyy vakiomuutos entalpia, kohdan (7) mukaan suhteella
Harjoittele 81.
Laske lämpömäärä, joka vapautuu Fe:n pelkistyksen aikana 2O3 metallista alumiinia, jos saatiin 335,1 g rautaa. Vastaus: 2543,1 kJ.
Ratkaisu:
Reaktioyhtälö:
\u003d (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) \u003d -1669,8 - (-822,1) \u003d -847,7 kJ
Laskemalla lämpömäärä, joka vapautuu vastaanotettaessa 335,1 g rautaa, tuotamme suhteesta:
(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847.7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,
jossa 55,85 on raudan atomimassa.
Vastaus: 2543,1 kJ.
Reaktion lämpövaikutus
Tehtävä 82.
Kaasumaista etyylialkoholia C2H5OH voidaan saada eteenin C 2 H 4 (g) ja vesihöyryn vuorovaikutuksella. Kirjoita tämän reaktion termokemiallinen yhtälö laskettuasi aiemmin sen lämpövaikutuksen. Vastaus: -45,76 kJ.
Ratkaisu:
Reaktioyhtälö on:
C2H4 (g) + H20 (g) \u003d C2H5OH (g); = ?
Aineiden standardimuodostuslämmöt on annettu erityistaulukoissa. Ottaen huomioon, että yksinkertaisten aineiden muodostumislämmöt otetaan ehdollisesti nollaksi. Laske reaktion lämpövaikutus käyttämällä Hessin lain seurausta, saamme:
\u003d (C 2 H 5 OH) - [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] \u003d
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = -45,76 kJ
Termokemiallisiksi kutsutaan reaktioyhtälöitä, joissa niiden aggregaatio- tai kiteinen muunnostilat on merkitty kemiallisten yhdisteiden symbolien lähelle sekä lämpövaikutusten numeerinen arvo. Termokemiallisissa yhtälöissä, ellei toisin mainita, lämpövaikutusten arvot vakiopaineella Q p ovat yhtä suuret kuin järjestelmän entalpian muutos. Arvo annetaan yleensä yhtälön oikealla puolella pilkulla tai puolipisteellä erotettuna. Seuraavat aineen aggregoidun tilan lyhenteet hyväksytään: G- kaasumainen, ja- nestemäinen, Vastaanottaja
Jos lämpöä vapautuu reaktion seurauksena, niin< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
C2H4 (g) + H20 (g) \u003d C2H5OH (g); = -45,76 kJ.
Vastaus:- 45,76 kJ.
Tehtävä 83.
Laske rauta(II)oksidin pelkistysreaktion lämpövaikutus vedyn kanssa seuraavien termokemiallisten yhtälöiden perusteella:
a) EEO (c) + CO (g) \u003d Fe (c) + CO 2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/202 (g) = C02 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ.
Vastaus: +27,99 kJ.
Ratkaisu:
Reaktioyhtälö rautaoksidin (II) pelkistämiseksi vedyllä on muotoa:
EeO (k) + H2 (g) \u003d Fe (k) + H20 (g); = ?
\u003d (H2O) - [ (FeO)
Veden muodostumislämpö saadaan yhtälöstä
H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ,
ja rautaoksidin (II) muodostumislämpö voidaan laskea, jos yhtälö (a) vähennetään yhtälöstä (b).
\u003d (c) - (b) - (a) \u003d -241,83 - [-283.o - (-13,18)] \u003d + 27,99 kJ.
Vastaus:+27,99 kJ.
Tehtävä 84.
Kaasumaisen rikkivedyn ja hiilidioksidin vuorovaikutuksessa muodostuu vesihöyryä ja hiilidisulfidia СS 2 (g). Kirjoita tämän reaktion termokemiallinen yhtälö, laske alustavasti sen lämpövaikutus. Vastaus: +65,43 kJ.
Ratkaisu:
G- kaasumainen, ja- nestemäinen, Vastaanottaja-kiteinen. Nämä symbolit jätetään pois, jos aineiden yhteenlaskettu tila on ilmeinen, esimerkiksi O 2, H 2 jne.
Reaktioyhtälö on:
2H2S (g) + C02 (g) \u003d 2H20 (g) + CS2 (g); = ?
Aineiden standardimuodostuslämmöt on annettu erityistaulukoissa. Ottaen huomioon, että yksinkertaisten aineiden muodostumislämmöt otetaan ehdollisesti nollaksi. Reaktion lämpövaikutus voidaan laskea Hessin lain e:n avulla:
\u003d (H20) + (CS2) - [(H2S) + (CO2)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.
2H2S (g) + C02 (g) \u003d 2H20 (g) + CS2 (g); = +65,43 kJ.
Vastaus:+65,43 kJ.
Termokemiallinen reaktioyhtälö
Tehtävä 85.
Kirjoita termokemiallinen yhtälö CO:n (g) ja vedyn väliselle reaktiolle, jonka seurauksena muodostuu CH 4 (g) ja H 2 O (g). Kuinka paljon lämpöä vapautuu tämän reaktion aikana, jos normaalioloissa saadaan 67,2 litraa metaania? Vastaus: 618,48 kJ.
Ratkaisu:
Termokemiallisiksi kutsutaan reaktioyhtälöitä, joissa niiden aggregaatio- tai kiteinen muunnostilat on merkitty kemiallisten yhdisteiden symbolien lähelle sekä lämpövaikutusten numeerinen arvo. Termokemiallisissa yhtälöissä, ellei sitä ole erikseen mainittu, lämpövaikutusten arvot vakiopaineella Q p ovat yhtä suuret kuin järjestelmän entalpian muutos. Arvo annetaan yleensä yhtälön oikealla puolella pilkulla tai puolipisteellä erotettuna. Seuraavat aineen aggregoidun tilan lyhenteet hyväksytään: G- kaasumainen, ja- jotain Vastaanottaja-kiteinen. Nämä symbolit jätetään pois, jos aineiden yhteenlaskettu tila on ilmeinen, esimerkiksi O 2, H 2 jne.
Reaktioyhtälö on:
CO (g) + 3H2 (g) \u003d CH4 (g) + H20 (g); = ?
Aineiden standardimuodostuslämmöt on annettu erityistaulukoissa. Ottaen huomioon, että yksinkertaisten aineiden muodostumislämmöt otetaan ehdollisesti nollaksi. Reaktion lämpövaikutus voidaan laskea Hessin lain e:n avulla:
\u003d (H20) + (CH4)-(CO)];
\u003d (-241,83) + (-74,84) - (-110,52) \u003d -206,16 kJ.
Termokemiallinen yhtälö näyttää tältä:
22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x \u003d 67,2 (-206,16) / 22 4 \u003d -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.
Vastaus: 618,48 kJ.
Muodostumislämpö
Tehtävä 86.
Minkä reaktion lämpövaikutus on yhtä suuri kuin muodostumislämpö. Laske NO:n muodostumislämpö seuraavista termokemiallisista yhtälöistä:
a) 4NH3 (g) + 502 (g) \u003d 4NO (g) + 6H20 (g); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (g) + 302 (g) \u003d 2N2 (g) + 6H20 (g); = -1530,28 kJ
Vastaus: 90,37 kJ.
Ratkaisu:
Standardimuodostumislämpö on yhtä suuri kuin 1 mol:n tämän aineen muodostumislämpö yksinkertaisista aineista standardiolosuhteissa (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). NO:n muodostuminen yksinkertaisista aineista voidaan esittää seuraavasti:
1/2N2 + 1/2O2 = EI
Annettu reaktio (a), jossa muodostuu 4 moolia NO:ta ja reaktio (b), jossa muodostuu 2 moolia N2:ta. Molemmissa reaktioissa on mukana happea. Siksi NO:n standardimuodostuslämmön määrittämiseksi muodostamme seuraavan Hessin syklin, eli meidän on vähennettävä yhtälö (a) yhtälöstä (b):
Siten 1/2N2 + 1/202 = NO; = +90,37 kJ.
Vastaus: 618,48 kJ.
Tehtävä 87.
Kiteinen ammoniumkloridi muodostuu kaasumaisen ammoniakin ja kloorivedyn vuorovaikutuksessa. Kirjoita tämän reaktion termokemiallinen yhtälö laskettuasi aiemmin sen lämpövaikutuksen. Kuinka paljon lämpöä vapautuu, jos reaktiossa kuluisi normaaliolosuhteissa 10 litraa ammoniakkia? Vastaus: 78,97 kJ.
Ratkaisu:
Termokemiallisiksi kutsutaan reaktioyhtälöitä, joissa niiden aggregaatio- tai kiteinen muunnostilat on merkitty kemiallisten yhdisteiden symbolien lähelle sekä lämpövaikutusten numeerinen arvo. Termokemiallisissa yhtälöissä, ellei sitä ole erikseen mainittu, lämpövaikutusten arvot vakiopaineella Q p ovat yhtä suuret kuin järjestelmän entalpian muutos. Arvo annetaan yleensä yhtälön oikealla puolella pilkulla tai puolipisteellä erotettuna. Seuraavat hyväksytään Vastaanottaja-kiteinen. Nämä symbolit jätetään pois, jos aineiden yhteenlaskettu tila on ilmeinen, esimerkiksi O 2, H 2 jne.
Reaktioyhtälö on:
NH3 (g) + HCl (g) \u003d NH4CI (k). ; = ?
Aineiden standardimuodostuslämmöt on annettu erityistaulukoissa. Ottaen huomioon, että yksinkertaisten aineiden muodostumislämmöt otetaan ehdollisesti nollaksi. Reaktion lämpövaikutus voidaan laskea Hessin lain e:n avulla:
\u003d (NH4Cl) - [(NH3) + (HCl)];
= -315,39 - [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.
Termokemiallinen yhtälö näyttää tältä:
Tässä reaktiossa 10 litran ammoniakkireaktion aikana vapautuva lämpö määritetään suhteesta:
22,4 : -176,85 = 10 : X; x \u003d 10 (-176,85) / 22,4 \u003d -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.
Vastaus: 78,97 kJ.
lämpövaikutus reaktio on lämpömäärä, jonka järjestelmä vapauttaa tai absorboi reaktion aikana.
missä , - reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden stoikiometriset kertoimet; , - reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden muodostumisen standardientalpiat. Muodostumisen lämpö. Tässä indeksi tarkoittaa muodostus(muodostaminen) ja nolla, että arvo viittaa aineen standarditilaan.
Muodostumislämpö aineet määritetään hakuteoksista tai lasketaan aineen rakenteen perusteella.
Palamislämpö kutsutaan lämpömääräksi, joka vapautuu aineen yksikkömäärän täydellisen palamisen aikana, edellyttäen, että alku- ja lopputuotteet ovat normaaleissa olosuhteissa.
Erottaa:
· molaarinen- yhdelle moolille (kJ/mol),
· massa– yksi kilogramma (kJ/kg),
· tilavuus− yhdelle kuutiometrille ainetta (kJ/m³) palamislämpö.
Polttoprosessin aikana muodostuvan veden aggregaatiotilasta riippuen on korkeampia ja pienempiä lämpöarvoja.
Korkeampi lämpöarvo kutsutaan lämpömääräksi, joka vapautuu palavan aineen yksikkömäärän täydellisen palamisen aikana, mukaan lukien vesihöyryn kondensaatiolämpö.
alempi lämpöarvo kutsutaan lämpömääräksi, joka vapautuu palavan aineen yksikkömäärän täydellisen palamisen aikana, mikäli palamistuotteiden vesi on kaasumaista.
Molaarinen palamislämpö lasketaan lain mukaan Hess. Muuntaaksesi molaarisen palamislämmön massalämmöksi voit käyttää kaavaa:
missä on palavan aineen moolimassa, .
Aineille, jotka ovat kaasumaisessa tilassa, kun ne muunnetaan normaalista palamislämmöstä tilavuuslämmöksi, käytetään kaavaa:
missä on kaasun moolitilavuus, joka standardiolosuhteissa on .
Riittävän tarkat tulokset monimutkaisille palaville aineille tai seoksille saadaan korkeamman lämpöarvon Mendeleevin kaavalla:
Missä , ; , , , , - palavan aineen hiilen, vedyn, rikin, hapen ja typen pitoisuus massassa. prosenttia.
Pienemmälle lämpöarvolle
Missä , ; - palavan aineen kosteuspitoisuus massassa. prosenttia.
Palavien seosten palamislämmön laskenta suoritetaan kaavan mukaan
missä on palavan seoksen alin lämpöarvo, ; - seoksen i:nnen polttoaineen tilavuusosuus; on seoksen i:nnen polttoaineen pienin lämpöarvo, .
Kaasu-ilma-seosten palamislämmön laskeminen suoritetaan kaavalla
missä on palavan aineen alin lämpöarvo, ; - palavan aineen pitoisuus kaasu-ilmaseoksessa, tilavuusosuus; on kaasu-ilma-seoksen palamislämpö, .
Lämpökapasiteetti kehoa kutsutaan fyysinen määrä, joka määrittää kehon vastaanottaman äärettömän pienen määrän lämpöä suhteessa vastaavaan lämpötilan nousuun
Kehoon syötetyn tai siitä poistetun lämmön määrä on aina verrannollinen aineen määrään.
ominaislämpökapasiteetti on lämpökapasiteetti aineen määräyksikköä kohti. Aineen määrä voidaan mitata kilogrammoina, kuutiometreinä ja mooliina. Siksi erotetaan massa, tilavuus ja molaarinen lämpökapasiteetti.
Merkitse:
· - molaarinen lämpökapasiteetti, . Tämä on lämpömäärä, joka täytyy suspendoida yhteen mooliin ainetta, jotta sen lämpötila nousee 1 Kelvinillä;
· - massalämpökapasiteetti, . Tämä on lämpömäärä, joka täytyy suspendoida 1 kilogrammaan ainetta, jonka lämpötila on noussut 1 Kelvinillä;
· - tilavuuslämpökapasiteetti, . Tämä on lämpömäärä, joka on keskeytettävä 1:stä kuutiometri ainetta, jonka lämpötila on noussut 1 Kelvinillä.
Molaarisen ja massan lämpökapasiteetin välinen suhde ilmaistaan kaavalla
missä on aineen moolimassa. Volumetrinen lämpökapasiteetti ilmaistaan molaareina seuraavasti
missä on kaasun moolitilavuus normaaleissa olosuhteissa.
Kehon lämpökapasiteetti riippuu prosessista, jonka aikana lämpöä syötetään.
Kehon lämpökapasiteetti vakiopaineessa jota kutsutaan isobarisessa prosessissa syötetyn spesifisen (1 moolia kohden) lämpömäärän suhteeksi kehon lämpötilan muutokseen.
Kehon lämpökapasiteetti vakiotilavuudessa jota kutsutaan isokorisessa prosessissa toimitetun lämmön spesifisen (per 1 mooli ainetta) suhteeksi kehon lämpötilan muutokseen.
Ihanteellisten kaasujen lämpökapasiteetti on
missä on molekyylin vapausasteiden lukumäärä. Ihanteellisten kaasujen isobaarisen ja isokorisen lämpökapasiteetin välinen suhde määräytyy Mayerin yhtälöllä
missä on yleiskaasuvakio.
Kiinteässä faasissa olevien aineiden lämpökapasiteetti lähellä normaaleja olosuhteissa Dulong-Petitin lain mukaan on
Koska lämpökapasiteetti riippuu lämpötilasta, lämmönkulutus samalla lämpötilan nousulla vaihtelee (kuva 3.1).
Todellinen lämpökapasiteetti kutsutaan lämpökapasiteetiksi, joka tietyssä termodynaamisessa prosessissa ilmaistaan seuraavalla kaavalla
jossa - tarkoittaa prosessia, jossa lämpökapasiteetti mitataan. Parametri voi ottaa arvoja jne.
Riisi. 3.1. Lämpökapasiteetin riippuvuus lämpötilasta
Keskimääräinen lämpökapasiteetti on kehoon tietyssä prosessissa siirtyneen lämmön määrän suhde lämpötilan muutokseen, mikäli lämpötilaero on äärellinen arvo. Kun todellisen lämpökapasiteetin tunnetaan riippuvuuden lämpötilasta, keskimääräinen lämpökapasiteetti lämpötila-alueella välillä - voidaan löytää keskiarvolauseen avulla
missä on keskimääräinen lämpökapasiteetti, on todellinen lämpökapasiteetti.
Aineiden lämpökapasiteetin kokeellisissa tutkimuksissa keskimääräinen lämpökapasiteetti löydetään usein ylärajan funktiona ja alarajan kiinteä arvo, joka on yhtä suuri kuin
Kaasujen keskimääräisten lämpökapasiteettien riippuvuudet ylärajan lämpötilasta on esitetty taulukossa 3.1.
Lämpökapasiteetti kaasuseos riippuu seoksen koostumuksesta ja komponenttien lämpökapasiteeteista. Merkitään: - komponentin mooliosuutta seoksessa; - tilavuusosuus; - valtaosa. Tässä - vastaavasti -:nnen komponentin määrä mooliina, m 3, kg. Kaasuseoksen lämpökapasiteetti voidaan määrittää kaavoilla
jossa , , ovat seoksen :nnen komponentin keskimääräiset molaariset, massa- ja tilavuuslämpökapasiteetit.
Taulukko 3.1.
| Kaasun nimi | Kaavat yksittäisten kaasujen keskimääräisten molaaristen lämpökapasiteettien määrittämiseksi vakiotilavuudessa, J/(mol deg), lämpötiloissa, 0 С | |
| 0-1500 | 1501-2800 | |
| ilmaa | ||
| Happi | ||
| Typpi | ||
| Vety | ||
| hiilimonoksidi | ||
| Hiilidioksidi | ||
| vesihöyry |
Lämpökoneissa ja moottoreissa palamiskammioon syötetään jokaisen syklin alussa osa tuoretta seosta, joka on ns. tuore lataus. Edellisen syklin pakokaasut jäävät kuitenkin yleensä palotilaan.
Jäännöskaasusuhde kutsutaan suhteeksi
missä on jäännöskaasujen moolien lukumäärä, on tuorevarauksen moolien lukumäärä. Polttokammiossa olevaa jäännöskaasujen seosta tuoreella panoksella kutsutaan toimiva seos. Työseoksen lämpökapasiteetti lasketaan kaavalla
missä , ovat tuorepanoksen ja jäännöskaasujen keskimääräiset lämpökapasiteetit työseoksen lämpötilassa; - jäännöskaasujen kerroin.
Palamisvyöhykkeellä vapautuva lämpö kuluu palamistuotteiden lämmittämiseen ja lämpöhäviöön (jälkimmäiseen sisältyy palavan aineen esilämmitys ja säteily palamisvyöhykkeeltä ympäristöön). Kutsutaan maksimilämpötilaa, johon palamistuotteet kuumennetaan palamislämpötila.
Riippuen olosuhteista, joissa palamisprosessi tapahtuu, on olemassa kalorimetrinen, adiabaattinen, teoreettinen, Ja pätevä palamislämpötila.
Alla kalorimetrinen palamislämpötila ymmärtää lämpötila, johon palamistuotteet kuumennetaan seuraavissa olosuhteissa:
kaikki reaktion aikana vapautuva lämpö menee palamistuotteiden lämmittämiseen;
stoikiometrisen palavan seoksen täydellinen palaminen ();
Palamistuotteiden muodostumisprosessissa niiden dissosiaatiota ei tapahdu;
Palavan seoksen alkulämpötila on 273 K ja paine 101,3 kPa.
Adiabaattinen palamislämpötila määritetty ei-stoikiometriselle palavalle seokselle ().
Teoreettinen palamislämpötila eroaa kalorimetrisestä siinä, että laskelmissa on otettu huomioon palamistuotteiden dissosiaatiosta johtuvat lämpöhäviöt.
Todellinen palamislämpötila on lämpötila, johon palamistuotteet kuumennetaan todellisissa olosuhteissa.
Tarkastellaan vain kalorimetristen ja adiabaattisten palolämpötilojen laskemista pienellä korjauksella. Oletetaan, että alkuperäisen seoksen alkulämpötila eroaa . Merkitsemme työseoksen ja palamistuotteiden seoksen moolimäärää. Sitten palamisen lämpötase vakiopaineessa voidaan kirjoittaa muodossa
missä , ovat alkuperäisen seoksen ja palamistuotteiden keskimääräiset lämpökapasiteetit; on lämpö, joka vapautuu palaessa 1 mooli työseosta, ; ja ovat vastaavasti työseoksen ja palamistuotteiden lämpötilat. Mitä tulee yhteen mooliin työseosta, kaava (3.20) voidaan esittää seuraavasti
missä on seoksen koostumuksen molekyylimuutoskerroin. Kalorimetriset ja adiabaattiset palamislämpötilat saadaan lämpötasapainoyhtälöstä.
Räjähdyspaine voidaan löytää käyttämällä Claiperon-Mendeleev yhtälöä, koska tilavuus ei muutu prosessin aikana.
"Aineiden palamislämmön laskenta"
Kohde: Opi palamisprosessien energiatasapainon peruskäsitteet. Opi laskemaan palamislämpö eri tyyppiä palava aine (yksittäiset aineet ja seokset; monimutkaiset aineet, joita edustaa alkuainekoostumus).
Laskentakaavat ja -algoritmit
1. Lämpöarvon laskeminen yksittäisiä aineita käytetään kaavaa (3.1). Ensin laaditaan palamisreaktioyhtälö, jonka avulla määritetään stoikiometriset kertoimet ja tulot. Sitten taulukon mukaan (katso taulukko 3.1) löydetään lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden muodostumisen standardientalpiat. Löydetyt parametrit korvataan kaavalla (3.1) ja lasketaan palavan aineen palamislämpö.
2. Lämpöarvo monimutkaiset aineet löytyvät D. I. Mendelejevin (3.4) ja (3.5) kaavojen mukaan. Laskennan suorittamiseksi on tarpeen tietää vain alkuaineiden massaosuudet prosentteina. Palamislämpö lasketaan kJ/kg.
3. Laskemiseen palavat seokset käytetään kaavoja (3.1) - (3.6). Ensinnäkin kunkin palavan kaasun alempi lämpöarvo löydetään yksittäisenä aineena kaavan (3.2) mukaisesti tai kompleksisena aineena kaavojen (3.4), (3.5) mukaisesti. Kaavoja (3.2), (3.3) käytetään siirtymään tilavuuslämpöön. Laskenta päätetään laskemalla palavan seoksen lämpöarvo kaavan (3.6) mukaisesti.
4. 1 m 3:n lämpöarvon määrittäminen kaasu-ilma-seos laskea palavien kaasujen tilavuusosuuden ilman läsnä ollessa, jonka määrä riippuu . Sitten kaavalla (3.7) lasketaan kaasu-ilma-seoksen palamislämpö.
Esimerkki 3.1. Määritä asetyleenin lämpöarvo.
Ratkaisu. Kirjoita asetyleenin palamisen yhtälö.
Yhtälön mukaisesti stoikiometriset kertoimet ovat , , , . Käyttämällä liitettä 3.1 löydämme reaktioaineiden muodostumisen standardientalpiat: , , , . Laskemme asetyleenin lämpöarvon kaavan (3.1) avulla
1 m 3 asetyleenin palamisen aikana vapautuvan lämmön määrän laskemiseksi on tarpeen jakaa saatu arvo moolitilavuudella standardiolosuhteissa (3.3):
Vastaus: ;
Ratkaisu. Mendeleev-kaavojen (3.4) ja (3.5) avulla löydämme
Vastaus: .
Esimerkki 3.3. Määritä kaasuseoksen palamislämpö, joka koostuu - 40%, - 20%, - 15%, - 5%, - 10%, - 10%.
Ratkaisu. Näistä kaasuista , , , ovat palavia. Jokaiselle polttoaineelle kirjoitetaan yhtälö hapen kanssa tapahtuvalle reaktiolle:
Löydämme aineiden muodostumisen standardientalpiat käyttämällä taulukkotietoja taulukosta 3.2.
; ; ; ; ; ; ; .
Kaavan (3.1) mukaan palamisyhtälöiden (1) - (4) mukaisesti löydämme palamislämmön:
Palavien kaasujen seokselle käytämme kaavaa (3.6) ottaen huomioon, että mooli- ja tilavuusosuudet ovat samat. Laskelmien tuloksena saamme kaasuseoksen alemman lämpöarvon
Poltettaessa 1 m 3 tällaista kaasuseosta lämpöä vapautuu yhtä paljon
Vastaus: ; .
Ratkaisu. Kirjoitamme propaanin palamisyhtälön
Reaktioyhtälön mukaisesti 1 m 3 propaania vastaa m 3 ilmaa stökiömetrisessä seoksessa. Ottaen huomioon, että m 3 ilmaa kuluu itse asiassa 1 m 3 propaania kohti. Siten 1 m 3:ssä propaani-ilmaseoksessa propaanin tilavuusosuus on
Propaanin alempi lämpöarvo löydetään kaavalla (3.1). Propaanin muodostumisen standardientalpia voidaan määrittää taulukosta 3.2.
Propaanin palamislämpö on
Propaani-ilmaseoksen alempi lämpöarvo voidaan määrittää kaavalla (3.7)
1536,21
Taulukko 3.3. Ohjaustehtävän nro 3.1 parametrit
| Vaihtoehto | Kunto | Vaihtoehto | Kunto | Vaihtoehto | Kunto |
| 1. | CH3OH | 11. | C 4 H 8 | 21. | C8H18 |
| 2. | C2H5OH | 12. | C4H10 | 22. | C10H8 |
| 3. | NH3 | 13. | C3H8 | 23. | C12H10 |
| 4. | SO 3 | 14. | C 7 H 8 | 24. | CH40 |
| 5. | HNO3 | 15. | C7H16 | 25. | C2H4O2 |
| 6. | C3H4 | 16. | C5H12 | 26. | C2H6O |
| 7. | H2S | 17. | C6H12 | 27. | C3H6O |
| 8. | C5H5N | 18. | C6H14 | 28. | C4H10O |
| 9. | C2H5O | 19. | C8H6 | 29. | CH6N2 |
| 10. | C3H6 | 20. | C8H10 | 30. | C6H7N |
Taulukko 3.4. Ohjaustehtävän nro 3.2 parametrit ( W - kosteus)
