Химия: Методические указания к лабораторным работам, страница 10

Если вещества, образующиеся при реакции, обладают меньшим запасом полной энергии, чем вещества, вступающие в реакцию, то в процессе реакции эта энергия выделяется (наиболее часто в виде теплоты Q, но возможны также и другие формы энерговыделения - излучение света, звука, например, при взрыве). Такие реакции, сопровождающиеся понижением полной энергии системы (DН_реак. < 0, DU_реак. < 0), называются экзотермическими (в общем случае – экзоэнергетическими).

Если вещества, образующиеся при реакции, обладают большим запасом полной энергии, чем вещества, вступающие в реакцию, то при протекании этой реакции необходимая энергия в виде теплоты будет поглощаться из окружающей среды. Такие реакции,сопровождающиеся повышением полной энергии системы (DН_реак. > 0, DU_реак. > 0), называются эндотермическими (в общем случае - эндоэнергетическими).

Количество энергии (в частности, теплотыQ), которое выделяется или поглощается при химической реакции, называется энергетическим (тепловым - при выделении теплоты) эффектом реакции. Энергетические (тепловые) эффекты химических реакций, протекающих в изохорных условиях (например в автоклавах) возникают при изменении внутренней энергии системы, поэтому Q_V = DU_реак. При протекании реакции в наиболее распространенных изобарных условиях такой энергетический (тепловой) эффект связан с изменением энтальпии при химическом превращении и называется энтальпией химической реакции DН_реак, т.е. Q_р = DН_реак.

Энтальпия химической реакции зависит от температуры, поэтому для широкого использования величин энтальпий реакций в расчетах, их значения пересчитываются на условия стандартного состояния (Т = 298 К, Р = 100 кПа) и обозначаются DН⁰₂₉₈. В условиях стандартного состояния протекает ограниченное число реакций, поэтому производится пересчет результатов термодинамических расчетов из стандартного состояния в условия реального протекания реакции с учетом температурной зависимости теплоемкости всех участвующих в реакции веществ.

Для расчета энтальпий химических реакций используют закон Гесса:

Энтальпия химической реакции не зависит от пути протекания процесса, а определяется только состоянием исходных веществ и продуктов реакции.

Энергическое состояние каждого вещества может быть охарактеризовано энтальпией образования этого вещества.

Энтальпией образования rH_обр. вещества называется количество энергии, выделяемое или поглощаемое при образовании одного моля этого вещества из простых веществ. Энтальпия образования вещества в системе СИ измеряется в Дж/моль. Энтальпия образования для стандартных условий обозначается DН⁰_обр. (или латинский вариант - DН⁰_f, где f– первая буква слова formation - образование) и называется стандартной энтальпией образования.

Закон Гесса имеет два следствия.

Следствие 1: энтальпии образования и разложения одного и того же вещества равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку:

Н₂(г) + 1/2О₂(г) = Н₂О(г)     rH⁰_реак.= -241,9  кДж,

Н₂О(г) = Н₂(г) + 1/2 О₂(г)     rH⁰_реак.= 241,9  кДж.

Следствие 2: энтальпия химической реакции rH⁰_реак.равна разности между энтальпиями образования продуктов реакции Sn_irH⁰_{обр.прод.}и энтальпиями образования исходных веществ Sn_irH⁰_{обр.реаг.} с учетом их стехиометрических коэффициентов n_i:

rH⁰_реак.= Sn_irH⁰_{обр.прод.} - Sn_irH⁰_{обр.реаг.},

где S- условное обозначение суммы. Например, для реакции

аА + bВ ® сС + dD,

rH⁰_реак. = (crH⁰_обр.C + drH⁰_обр.D) - (arH⁰_обр.A + brH⁰_обр.B),

где А, В и С, D - реагенты и продукты реакции, соответственно;

а, b, с, d - соответствующие стехиометрические коэффициенты при реагентах и продуктах реакции;

rH⁰_обр.a, rH⁰_обр.в, rH⁰_обр.с, rH⁰_обр.d - энтальпии образования реагентов и продуктов реакции.

Энтальпия реакции дает возможность рассчитать, какое количество теплоты выделится или поглотится при протекании реакции, но не позволяет определить возможность ее самопроизвольного протекания в конкретных условиях. Критерием самопроизвольного протекания химической реакции для изобарных условий является энергия Гиббса реакции rG_реак., которая определяется суммарным изменением энергии Гиббса реакции как термодинамической системы. Изменение энергии Гиббса системы выражается формулой: