Specyficzny efekt cieplny reakcji. Efekty termiczne reakcji chemicznych

Wstęp

Efekty cieplne reakcji chemicznych są niezbędne do wielu obliczeń technicznych. Znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a także w rozwoju wojskowym.

Celem tego kursu jest przestudiowanie praktycznego zastosowania efektu cieplnego. Zastanowimy się nad kilkoma możliwościami jego wykorzystania i dowiemy się, jak ważne jest wykorzystanie efektów termicznych reakcji chemicznych w kontekście rozwoju nowoczesnych technologii.

Efekt cieplny reakcji chemicznej

Każda substancja ma w sobie pewną ilość zmagazynowanej energii. Z tą właściwością substancji spotykamy się już przy śniadaniu, obiedzie czy kolacji, ponieważ pokarm pozwala naszemu organizmowi na wykorzystanie energii szerokiej gamy związków chemicznych zawartych w pożywieniu. W ciele energia ta jest zamieniana na ruch, pracę i wykorzystywana do utrzymywania stałej (i raczej wysokiej!) temperatury ciała.

Jednym z najbardziej znanych naukowców zajmujących się termochemią jest Berthelot. Berthelot jest profesorem chemii w Wyższej Szkole Farmaceutycznej w Paryżu (1859). Minister Edukacji i Spraw Zagranicznych.

Począwszy od 1865 r. Berthelot był aktywnie zaangażowany w termochemię, prowadził szeroko zakrojone badania kalorymetryczne, które doprowadziły w szczególności do wynalezienia „bomby kalorymetrycznej” (1881); jest właścicielem koncepcji reakcji „egzotermicznych” i „endotermicznych”. Berthelot uzyskał obszerne dane na temat efektów termicznych ogromnej liczby reakcji, ciepła rozkładu i powstawania wielu substancji.

Berthelot zbadał działanie materiałów wybuchowych: temperaturę wybuchu, szybkość spalania i propagację fali uderzeniowej itp.

Energia związków chemicznych koncentruje się głównie w wiązaniach chemicznych. Zerwanie wiązania między dwoma atomami wymaga energii. Kiedy tworzy się wiązanie chemiczne, uwalniana jest energia.

Każda reakcja chemiczna polega na zerwaniu niektórych wiązań chemicznych i utworzeniu innych.

Gdy w wyniku reakcji chemicznej podczas tworzenia nowych wiązań uwalnia się więcej energii niż było potrzebne do zniszczenia „starych” wiązań w pierwotnych substancjach, wówczas nadmiar energii uwalnia się w postaci ciepła. Przykładem są reakcje spalania. Na przykład gaz ziemny (metan CH4) spala się w tlenie atmosferycznym z wydzieleniem dużej ilości ciepła (rys. 1a). Takie reakcje są egzotermiczne.

Reakcje przebiegające z uwolnieniem ciepła wykazują dodatni efekt cieplny (Q>0, DH<0) и называются экзотермическими.

Reakcje związane z pochłanianiem ciepła z otoczenia (Q<0, DH>0), tj. z negatywnym efektem termicznym, są endotermiczne.

Przykładem jest powstawanie tlenku węgla (II) CO i wodoru H2 z węgla i wody, które następuje dopiero po podgrzaniu (rys. 1b).

Ryż. 1a, b. Przedstawienie reakcji chemicznych za pomocą modeli molekularnych: a) reakcja egzotermiczna, b) reakcja endotermiczna. Modele wyraźnie pokazują, jak przy stałej liczbie atomów stare wiązania chemiczne są niszczone między nimi i powstają nowe wiązania chemiczne.

Tak więc każdej reakcji chemicznej towarzyszy uwalnianie lub pochłanianie energii. Najczęściej energia jest uwalniana lub pochłaniana w postaci ciepła (rzadziej w postaci światła lub energii mechanicznej). To ciepło można zmierzyć. Wynik pomiaru wyrażany jest w kilodżulach (kJ) dla jednego mola reagenta lub (rzadziej) dla mola produktu reakcji. Ta ilość nazywana jest ciepłem reakcji.

Efekt termiczny - ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego przez układ chemiczny podczas zachodzącej w nim reakcji chemicznej.

Efekt termiczny oznaczono symbolami Q lub DH (Q = -DH). Jego wartość odpowiada różnicy między energiami stanów początkowych i końcowych reakcji:

DH = Kura - Niska = Ekon.- Ewy.

Ikony (d), (g) oznaczają stan gazowy i ciekły substancji. Istnieją również oznaczenia (tv) lub (k) - substancja stała, krystaliczna, (aq) - substancja rozpuszczona w wodzie itp.

Ważne jest oznaczenie stanu skupienia substancji. Na przykład w reakcji spalania wodoru woda początkowo powstaje w postaci pary (stan gazowy), podczas której kondensacja może zostać uwolniona nieco więcej energii. W konsekwencji, przy powstawaniu wody w postaci cieczy, zmierzony efekt cieplny reakcji będzie nieco większy niż przy powstawaniu samej pary, ponieważ kolejna część ciepła zostanie uwolniona podczas kondensacji pary.

Wykorzystywany jest również szczególny przypadek efektu cieplnego reakcji - ciepło spalania. Z samej nazwy jasno wynika, że ciepło spalania służy do scharakteryzowania substancji używanej jako paliwo. Ciepło spalania odnosi się do 1 mola substancji będącej paliwem (reduktor w reakcji utleniania), na przykład:


acetylen								wartość opałowa acetylenu

Energię (E) zmagazynowaną w cząsteczkach można wykreślić w skali energetycznej. W tym przypadku efekt cieplny reakcji ( E) można przedstawić graficznie (rys. 2).

Ryż. 2. Graficzne przedstawienie efektu cieplnego (Q =  E): a) egzotermiczna reakcja spalania wodoru; b) endotermiczna reakcja rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego. Współrzędną reakcji (oś pozioma wykresu) można traktować np. jako stopień konwersji substancji (100% - całkowita konwersja materiałów wyjściowych).

Równania reakcji chemicznych

Równania reakcji chemicznych, w których wraz z reagentami i produktami zapisuje się również efekt cieplny reakcji, nazywane są równaniami termochemicznymi.

Cechą równań termochemicznych jest to, że podczas pracy z nimi można przenosić formuły substancji i wielkości efektów termicznych z jednej części równania do drugiej. Z reguły nie można tego zrobić za pomocą zwykłych równań reakcji chemicznych.

Dopuszczalne jest również dodawanie i odejmowanie równań termochemicznych. Może to być konieczne do określenia efektów termicznych reakcji, które są trudne lub niemożliwe do zmierzenia eksperymentalnie.

Weźmy przykład. W laboratorium niezwykle trudno jest przeprowadzić „w czystej postaci” reakcję otrzymywania metanu CH4 przez bezpośrednie połączenie węgla z wodorem:

C + 2H2 = CH4

Ale możesz się wiele dowiedzieć o tej reakcji za pomocą obliczeń. Na przykład dowiedz się, czy ta reakcja będzie egzotermiczna, czy endotermiczna, a nawet określ ilościowo wielkość efektu termicznego.

Efekty termiczne reakcji spalania metanu, węgla i wodoru są znane (reakcje te są łatwe):

a) CH4 (g) + 2O2 (g) \u003d CO2 (g) + 2H2O (l) + 890 kJ

b) C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 394 kJ

c) 2H2 (g) + O2 (g) \u003d 2H2O (l) + 572 kJ

Odejmij ostatnie dwa równania (b) i (c) od równania (a). Lewe części równań zostaną odjęte od lewej, prawa - od prawej. W takim przypadku wszystkie cząsteczki O 2, CO 2 i H 2 O zostaną zredukowane.Otrzymujemy:

CH 4 (g) - C (tv) - 2H 2 (g) \u003d (890 - 394 - 572) kJ \u003d -76 kJ

To równanie wygląda nieco nietypowo. Pomnóż obie strony równania przez (-1) i przesuń CH 4 na prawą stronę z przeciwnym znakiem. Otrzymujemy równanie, którego potrzebujemy do tworzenia metanu z węgla i wodoru:

C (tv) + 2H 2 (g) \u003d CH 4 (g) + 76 kJ / mol

Tak więc nasze obliczenia wykazały, że efekt termiczny powstawania metanu z węgla i wodoru wynosi 76 kJ (na mol metanu), a proces ten musi być egzotermiczny (w tej reakcji zostanie uwolniona energia).

Należy zwrócić uwagę na fakt, że w równaniach termochemicznych można dodawać, odejmować i redukować tylko te substancje, które są w tym samym stanie skupienia, w przeciwnym razie popełnimy błąd przy określaniu efektu cieplnego przez ciepło przejścia z jeden stan skupienia do drugiego.

Podstawowe prawa termochemii

Dział chemii, który bada przemiany energii w reakcjach chemicznych, nazywa się termochemią.

Istnieją dwie najważniejsze prawa termochemii. Pierwsze z nich, prawo Lavoisiera-Laplace'a, jest sformułowane w następujący sposób:

Efekt termiczny reakcji postępującej jest zawsze równy efektowi termicznemu reakcji odwrotnej o przeciwnym znaku.

Oznacza to, że podczas tworzenia dowolnego związku uwalniana (pochłaniana) jest taka sama ilość energii, jaka jest pochłaniana (uwalniana) podczas jej rozpadu na substancje pierwotne. Na przykład:

2H2 (g) + O2 (g) \u003d 2H2O (g) + 572 kJ (spalanie wodoru w tlenie)

2 H 2 O (l) + 572 kJ \u003d 2H 2 (g) + O 2 (g) (rozkład wody prądem elektrycznym)

Prawo Lavoisiera-Laplace'a jest konsekwencją prawa zachowania energii.

Drugie prawo termochemii zostało sformułowane w 1840 roku przez rosyjskiego akademika G. I. Hessa:

Efekt termiczny reakcji zależy tylko od początkowego i końcowego stanu substancji i nie zależy od pośrednich etapów procesu.

Oznacza to, że całkowity efekt cieplny serii następujących po sobie reakcji będzie taki sam jak innych serii reakcji, jeśli na początku i na końcu tych serii te same substancje początkowe i końcowe. Te dwa podstawowe prawa termochemii nadają równaniom termochemicznym pewne podobieństwo do matematycznych, gdy w równaniach reakcji można przenosić człony z jednej części na drugą, dodawać, odejmować i redukować formuły związków chemicznych człon po członie. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę współczynniki w równaniach reakcji i nie zapominać, że substancje dodawane, odejmowane lub redukowane przez mole muszą znajdować się w tym samym stanie agregacji.

Zastosowanie efektu termicznego w praktyce

Do wielu obliczeń technicznych potrzebne są efekty cieplne reakcji chemicznych. Weźmy na przykład potężną rosyjską rakietę Energia, zdolną do wystrzelenia na orbitę statków kosmicznych i innych ładunków. Silniki jednego z jego etapów zasilane są skroplonymi gazami – wodorem i tlenem.

Załóżmy, że znamy pracę (w kJ), jaką trzeba będzie poświęcić na dostarczenie rakiety z ładunkiem z powierzchni Ziemi na orbitę, znamy również pracę, aby pokonać opór powietrza i inne koszty energii podczas lotu. Jak obliczyć wymagany zapas wodoru i tlenu, które (w stanie skroplonym) są wykorzystywane w tej rakiecie jako paliwo i utleniacz?

Bez pomocy efektu termicznego reakcji tworzenia się wody z wodoru i tlenu jest to trudne. W końcu efekt termiczny jest tą samą energią, która powinna wprowadzić rakietę na orbitę. W komorach spalania rakiety ciepło to zamieniane jest na energię kinetyczną cząsteczek gorącego gazu (pary), która ucieka z dysz i tworzy ciąg odrzutowy.

W przemyśle chemicznym efekty termiczne są potrzebne do obliczenia ilości ciepła do ogrzania reaktorów, w których zachodzą reakcje endotermiczne. W energetyce wykorzystując ciepło spalania paliw oblicza się wytwarzanie energii cieplnej.

Dietetycy wykorzystują termiczne efekty utleniania żywności w organizmie do formułowania odpowiedniej diety nie tylko dla pacjentów, ale także dla osób zdrowych – sportowców, pracowników różnych zawodów. Tradycyjnie do obliczeń używa się tu nie dżuli, ale inne jednostki energii - kalorie (1 cal = 4,1868 J). Wartość energetyczna żywności odnosi się do pewnej masy produktów spożywczych: do 1 g, do 100 g, a nawet do standardowego opakowania produktu. Na przykład na etykiecie słoika skondensowanego mleka można przeczytać następujący napis: „zawartość kalorii 320 kcal / 100 g”.

Efekt termiczny oblicza się po otrzymaniu monometyloaniliny, która należy do klasy podstawionych amin aromatycznych. Głównym obszarem zastosowania monometyloaniliny jest dodatek przeciwstukowy do benzyn. Do produkcji barwników można zastosować monometyloanilinę. Towarowa monometyloanilina (N-metyloanilina) jest oddzielana od katalizatora przez okresową lub ciągłą destylację. Efekt termiczny reakcji ∆Н= -14±5 kJ/mol.

Powłoki żaroodporne

Rozwój technologii wysokotemperaturowej wymaga tworzenia szczególnie odpornych na ciepło materiałów. Ten problem można rozwiązać, stosując metale ogniotrwałe i żaroodporne. Powłoki międzymetaliczne cieszą się coraz większym zainteresowaniem, ponieważ posiadają wiele cennych właściwości: odporność na utlenianie, agresywne topienie, odporność na ciepło itp. Interesująca jest również znacząca egzotermiczność powstawania tych związków z ich elementów składowych. Istnieją dwa sposoby wykorzystania egzotermii reakcji do tworzenia związków międzymetalicznych. Pierwszym z nich jest produkcja kompozytowych, dwuwarstwowych proszków. Po podgrzaniu składniki proszku oddziałują ze sobą, a ciepło reakcji egzotermicznej kompensuje ochłodzenie cząstek, które docierają do chronionej powierzchni w stanie całkowicie roztopionym i tworzą niskoporowatą powłokę mocno przylegającą do podłoża. Inną opcją byłoby zastosowanie mechanicznej mieszanki proszków. Przy wystarczającym ogrzaniu cząstek oddziałują one już w warstwie powłoki. Jeżeli wielkość efektu termicznego jest znaczna, może to prowadzić do samostopienia się warstwy powłoki, powstania pośredniej warstwy dyfuzyjnej, która zwiększa siłę adhezji i uzyskania gęstej, niskoporowatej struktury powłoki. Przy wyborze kompozycji tworzącej powłokę międzymetaliczną o dużym efekcie termicznym i posiadającej wiele cennych właściwości - odporność na korozję, wystarczającą odporność na ciepło i zużycie, uwagę zwracają aluminidki niklu, w szczególności NiAl i Ni 3 Al. Powstawaniu NiAl towarzyszy maksymalny efekt cieplny.

Termochemiczna metoda obróbki diamentów

Metoda „termochemiczna” zawdzięcza swoją nazwę temu, że przebiega w podwyższonych temperaturach i opiera się na wykorzystaniu właściwości chemicznych diamentu. Metodę przeprowadza się w następujący sposób: diament styka się z metalem zdolnym do samoistnego rozpuszczania węgla, a aby proces rozpuszczania lub przetwarzania przebiegał w sposób ciągły, odbywa się on w atmosferze gazowej, która oddziałuje z rozpuszczonym węglem w metalu, ale nie reaguje bezpośrednio z diamentem. W tym procesie wielkość efektu termicznego nabiera dużej wartości.

Aby określić optymalne warunki obróbki termochemicznej diamentu i zidentyfikować możliwości metody, konieczne było zbadanie mechanizmów niektórych procesów chemicznych, które, jak wykazała analiza literatury, nie były w ogóle badane. Bardziej szczegółowe badanie termochemicznej obróbki diamentu utrudniała przede wszystkim niewystarczająca znajomość właściwości samego diamentu. Bały się zepsuć go upałem. Badania stabilności termicznej diamentu prowadzono dopiero w ostatnich dziesięcioleciach. Ustalono, że diamenty, które nie zawierają inkluzji w atmosferze obojętnej lub w próżni, można bez szkody dla nich podgrzać do 1850 „C”, a tylko wyżej.

Diament jest najlepszym materiałem na ostrza ze względu na swoją wyjątkową twardość, sprężystość i niskie tarcie o tkanki biologiczne. Praca nożami diamentowymi ułatwia operacje, skraca czas gojenia nacięć 2-3 krotnie. Według mikrochirurgów Moskiewskiego Naukowo-Technicznego Centrum Mikrochirurgii Oka noże ostrzone metodą termochemiczną są nie tylko gorsze, ale także lepsze pod względem jakości od najlepszych próbek zagranicznych. Noże ostrzone termochemicznie wykonały już tysiące operacji. Noże diamentowe o różnych konfiguracjach i rozmiarach mogą być stosowane w innych dziedzinach medycyny i biologii. Tak więc do produkcji preparatów w mikroskopii elektronowej stosuje się mikrotomy. Wysoka rozdzielczość mikroskopu elektronowego nakłada specjalne wymagania na grubość i jakość przekroju próbek. Mikrotomy diamentowe ostrzone metodą termochemiczną umożliwiają wykonanie odcinków o pożądanej jakości.

Surowce technologiczne do produkcji cementu

Dalsza intensyfikacja produkcji cementu wiąże się z powszechnym wprowadzaniem technologii energooszczędnych i zasobooszczędnych wykorzystujących odpady z różnych gałęzi przemysłu.

SiO2 40…45,

Al 2 O 3 10…12,

Fe 2 O 3 15…17,

CaO 12…13,

MgO 5…6,

Wykazano możliwość wykorzystania odpadów CMC w produkcji klinkieru cementu portlandzkiego. Powstałe cementy charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi.

Efekt cieplny powstawania klinkieru (TEC) definiuje się jako algebraiczną sumę żarów procesów endotermicznych (dekarbonizacja kamienia wapiennego, odwodnienie minerałów ilastych, tworzenie fazy ciekłej) i reakcji egzotermicznych (utlenianie pirytu wprowadzonego przez odpady CMC, tworzenie faz klinkieru).

Główne zalety wykorzystania odpadów ze wzbogacania rudy skarnowo-magnetytowej w produkcji cementu to:

Rozbudowa bazy surowcowej kosztem źródła technogenicznego;

Oszczędność naturalnych surowców przy zachowaniu jakości cementu;

Obniżenie kosztów paliwa i energii do wypalania klinkieru;

Możliwość produkcji niskoenergetycznych, aktywnych nisko zasadowych klinkierów;

Rozwiązywanie problemów środowiskowych poprzez racjonalną utylizację odpadów oraz redukcję emisji gazów do atmosfery podczas wypalania klinkieru.

Bioczujniki

Biosensory to czujniki oparte na unieruchomionych enzymach. Umożliwia szybką i wydajną analizę złożonych, wieloskładnikowych mieszanin substancji. Obecnie coraz częściej znajdują zastosowanie w wielu gałęziach nauki, przemyśle, rolnictwie i ochronie zdrowia. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie enzymologii i inżynierskiej enzymologii posłużyły jako podstawa do stworzenia automatycznych systemów do analizy enzymatycznej. Unikalne właściwości enzymów – specyficzność działania i wysoka aktywność katalityczna – przyczyniają się do prostoty i wysokiej czułości tej metody analitycznej, a duża liczba Znane i przebadane do tej pory enzymy pozwalają na ciągłe poszerzanie listy analizowanych substancji.

Enzymatyczne czujniki mikrokalorymetryczne - wykorzystują efekt termiczny reakcji enzymatycznej. Składa się z dwóch kolumn (pomiarowej i kontrolnej) wypełnionych nośnikiem z unieruchomionym enzymem i wyposażonych w termistory. Gdy analizowana próbka przechodzi przez kolumnę pomiarową, zachodzi reakcja chemiczna, której towarzyszy rejestrowany efekt cieplny. Ten typ czujnika jest interesujący ze względu na swoją wszechstronność.

Wniosek

Tak więc po przeanalizowaniu praktycznego zastosowania efektu cieplnego reakcji chemicznych możemy stwierdzić, że efekt cieplny jest ściśle związany z naszym codziennym życiem, podlega ciągłym badaniom i znajduje nowe zastosowania w praktyce.

Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii efekt ciepła znalazł zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Przemysł chemiczny, wojskowy, budowlany, spożywczy, wydobywczy i wiele innych branż wykorzystuje efekt termiczny w swoich opracowaniach. Znajduje zastosowanie w silnikach spalinowych, urządzeniach chłodniczych i różnych urządzeniach spalinowych, a także w produkcji narzędzi chirurgicznych, powłok żaroodpornych, nowych rodzajów materiałów budowlanych i tak dalej.

W nowoczesnych warunkach stale rozwijającej się nauki obserwujemy pojawianie się coraz to nowych rozwiązań i odkryć w dziedzinie produkcji. Pociąga to za sobą coraz to nowe obszary zastosowania efektu cieplnego reakcji chemicznych.

Czernych E.A.

Bibliografia

Musabekov Yu S, Marselin Berthelot, M., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929.

Patent 852586 Federacja Rosyjska. MKI V 28 D 5/00. Metoda obróbki wymiarowej diamentu /A.P.Grigoriev, S.Kh.Lifshits, P.P.Shamaev (Federacja Rosyjska). - 2 sek.

Efekt cieplny reakcji chemicznej lub zmiana entalpii układu w wyniku reakcji chemicznej to ilość ciepła związana ze zmianą zmiennej chemicznej odbieranej przez układ, w którym zachodziła reakcja chemiczna i produkty reakcji temperatura reagentów.

Aby efekt cieplny był wielkością zależną tylko od charakteru zachodzącej reakcji chemicznej, muszą być spełnione następujące warunki:

· Reakcja musi przebiegać albo przy stałej objętości Qv (proces izochoryczny) albo przy stałym ciśnieniu Qp (proces izobaryczny).

· W systemie nie jest wykonywana żadna praca, z wyjątkiem pracy związanej z rozszerzeniem możliwej przy P = const.

Jeśli reakcja jest przeprowadzana w standardowych warunkach w T \u003d 298,15 K \u003d 25 ° C i P \u003d 1 atm \u003d 101325 Pa, efekt termiczny nazywany jest standardowym efektem termicznym reakcji lub standardową entalpią reakcji ΔHrO. W termochemii standardowy efekt cieplny reakcji oblicza się przy użyciu standardowych entalpii tworzenia.

Standardowa entalpia tworzenia (standardowe ciepło tworzenia)

Standardowe ciepło tworzenia rozumiane jest jako efekt cieplny reakcji tworzenia jednego mola substancji z prostych substancji, jej składników, które są w stabilnych stanach standardowych.

Na przykład standardowa entalpia tworzenia 1 mola metanu z węgla i wodoru jest równa ciepłu reakcji:

C (tv) + 2H 2 (g) \u003d CH 4 (g) + 76 kJ / mol.

Standardową entalpię tworzenia oznaczono ΔH f O . Tutaj indeks f oznacza formację (edukację), a przekreślone kółko, przypominające dysk Plimsola, oznacza, że wartość odnosi się do standardowego stanu skupienia. W literaturze często spotyka się inne oznaczenie entalpii standardowej - ΔH 298,15 0, gdzie 0 oznacza równość ciśnienia do jednej atmosfery (lub, nieco dokładniej, warunki standardowe), a 298,15 to temperatura. Czasami indeks 0 jest używany dla wielkości związanych z czystą substancją, stanowiąc, że możliwe jest wyznaczenie za jego pomocą standardowych wielkości termodynamicznych tylko wtedy, gdy jako stan standardowy wybrana jest czysta substancja. Jako normę można również przyjąć na przykład stan substancji w skrajnie rozcieńczonym roztworze. „Dysk Plimsola” w tym przypadku oznacza rzeczywisty stan standardowy materii, niezależnie od jego wyboru.

Entalpia tworzenia substancji prostych jest równa zeru, a zerowa wartość entalpii tworzenia odnosi się do stanu skupienia, który jest stabilny w T = 298 K. Na przykład dla jodu w stanie krystalicznym ΔH I2 (s) 0 = 0 kJ/mol, a dla ciekłego jodu ΔH I2 (g) 0 = 22 kJ/mol. Entalpie tworzenia prostych substancji w normalnych warunkach są ich głównymi charakterystykami energetycznymi.

Efekt termiczny każdej reakcji znajduje się jako różnica między sumą ciepła tworzenia wszystkich produktów a sumą ciepła tworzenia wszystkich reagentów w tej reakcji (konsekwencja prawa Hessa):

ΔH reakcja O = ΣΔH f O (produkty) - ΣΔH f O (odczynniki)

Efekty termochemiczne można uwzględnić w reakcjach chemicznych. Równania chemiczne, w których podana jest ilość uwolnionego lub pochłoniętego ciepła, nazywane są równaniami termochemicznymi. Reakcje, którym towarzyszy uwolnienie ciepła do otoczenia, mają negatywny efekt cieplny i nazywane są egzotermicznymi. Reakcje, którym towarzyszy pochłanianie ciepła, mają pozytywny efekt cieplny i nazywane są endotermicznymi. Efekt termiczny zwykle odnosi się do jednego mola przereagowanego materiału wyjściowego, którego współczynnik stechiometryczny jest maksymalny.

Zależność temperaturowa efektu cieplnego (entalpia) reakcji

Aby obliczyć zależność temperaturową entalpii reakcji, konieczne jest poznanie molowych pojemności cieplnych substancji biorących udział w reakcji. Zmiana entalpii reakcji wraz ze wzrostem temperatury od T 1 do T 2 jest obliczana zgodnie z prawem Kirchhoffa (przyjmuje się, że w tym zakresie temperatur molowe pojemności cieplne nie zależą od temperatury i nie występują przemiany fazowe):

Jeżeli przemiany fazowe występują w danym zakresie temperatur, to w obliczeniach należy wziąć pod uwagę ciepło odpowiednich przemian, a także zmianę zależności temperaturowej pojemności cieplnej substancji, które przeszły takie przemiany:

gdzie ΔC p (T1,Tf) jest zmianą pojemności cieplnej w zakresie temperatur od T1 do temperatury przejścia fazowego; ΔC p (T f ,T 2 ) jest zmianą pojemności cieplnej w zakresie temperatur od temperatury przemiany fazowej do temperatury końcowej, a Tf jest temperaturą przemiany fazowej.

Standardowa entalpia spalania to ΔHhor, efekt cieplny reakcji spalania jednego mola substancji w tlenie na powstawanie tlenków na najwyższym stopniu utlenienia. Zakłada się, że ciepło spalania substancji niepalnych wynosi zero.

Standardowa entalpia rozpuszczania to ΔH roztwór, efekt cieplny procesu rozpuszczania 1 mola substancji w nieskończonej ilości rozpuszczalnika. Składa się z ciepła niszczenia sieci krystalicznej oraz ciepła hydratacji (lub ciepła solwatacji dla roztworów niewodnych) uwalnianego w wyniku oddziaływania cząsteczek rozpuszczalnika z cząsteczkami lub jonami substancji rozpuszczonej w celu utworzenia związków o zmiennej skład – hydraty (solwaty). Destrukcja sieci krystalicznej jest z reguły procesem endotermicznym - ΔH sol > 0, a hydratacja jonów jest egzotermiczna, ΔH hydr< 0. В зависимости от соотношения значений ΔH реш и ΔH гидр энтальпия растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Так растворение кристаллического гидроксида калия сопровождается выделением тепла:

ΔH roztwórKOH o \u003d ΔH sol o + ΔH hydrK + o + ΔH hydroOH - o \u003d -59 kJ / mol

Entalpia hydratacji - ΔH hydr, odnosi się do ciepła uwalnianego podczas przejścia 1 mola jonów z próżni do roztworu.

Standardowa entalpia zobojętniania - H entalpia zobojętniania reakcji oddziaływania mocnych kwasów i zasad z utworzeniem 1 mola wody w standardowych warunkach:

HCl + NaOH = NaCl + H2O

H + + OH - \u003d H 2 O, ΔH neutralny ° \u003d -55,9 kJ / mol

Standardowa entalpia neutralizacji dla stężonych roztworów mocnych elektrolitów zależy od stężenia jonów, ze względu na zmianę wartości ΔH hydratacji ° jonów po rozcieńczeniu

Entalpia to właściwość materii, która wskazuje ilość energii, którą można przekształcić w ciepło.

Entalpia to termodynamiczna właściwość substancji, która wskazuje na poziom energii zmagazynowanej w jej strukturze molekularnej. Oznacza to, że chociaż materia może mieć energię opartą na temperaturze i ciśnieniu, nie wszystko może zostać przekształcone w ciepło. Część energii wewnętrznej zawsze pozostaje w substancji i zachowuje jej strukturę molekularną. Część energii kinetycznej substancji nie jest dostępna, gdy jej temperatura zbliża się do temperatury otoczenia. Dlatego entalpia to ilość energii, która jest dostępna do przekształcenia w ciepło w określonej temperaturze i ciśnieniu. Jednostkami entalpii są brytyjskie jednostki cieplne lub dżule dla energii oraz Btu/lbm lub J/kg dla energii właściwej.

Wielkość entalpii

Wielkość entalpii substancji zależy od jej zadanej temperatury. Temperatura ta jest wartością wybraną przez naukowców i inżynierów jako podstawa ich obliczeń. Jest to temperatura, w której entalpia substancji wynosi zero J. Innymi słowy, substancja nie ma dostępnej energii, którą można przekształcić w ciepło. Ta temperatura jest różna dla różnych substancji. Na przykład ta temperatura wody to punkt potrójny (0°C), azotu to -150°C, a czynniki chłodnicze na bazie metanu i etanu to -40°C.

Jeżeli temperatura substancji przekracza jej podaną temperaturę lub zmienia się w stan gazowy w danej temperaturze, entalpia jest wyrażana jako liczba dodatnia. Odwrotnie, w temperaturze poniżej danej entalpii substancji wyraża się liczbę ujemną. Entalpia jest wykorzystywana w obliczeniach do określenia różnicy poziomów energii między dwoma stanami. Jest to konieczne do skonfigurowania sprzętu i określenia wydajności procesu.

Entalpia jest często definiowana jako całkowita energia substancji, ponieważ jest równa sumie jej energii wewnętrznej (u) w danym stanie wraz z jej zdolnością do wykonywania pracy (pv). Ale w rzeczywistości entalpia nie wskazuje całkowitej energii substancji w danej temperaturze powyżej zera bezwzględnego (-273°C). Dlatego zamiast definiować entalpię jako całkowite ciepło substancji, dokładniejsze jest zdefiniowanie jej jako całkowitej ilości dostępnej energii substancji, którą można przekształcić w ciepło.
H=U+pV

PRAWO HESSA: efekt cieplny chem. p-tion zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu i nie zależy od jego przedziałów. państw. G.h. jest wyrazem prawa zachowania energii dla układów, w których chem. p-tion, a konsekwencja pierwszej zasady termodynamiki została jednak sformułowana wcześniej niż pierwsza zasada. Obowiązuje dla okręgów płynących ze stałą objętością lub pod stałym ciśnieniem; dla pierwszego efekt cieplny jest równy zmianie zewn. energia systemu spowodowana chemikaliami. p-tion, po drugie, zmiana entalpii. Aby obliczyć efekty cieplne dzielnic, m.in. praktycznie niewykonalne, tworzą system termochemiczny. ur-cje, to-żyto to ur-cje p-cji, rejestrowane wraz z odpowiadającymi im efektami termicznymi przy danym t-re. W tym przypadku ważne jest wskazanie stanu skupienia substancji reagujących, ponieważ od tego zależy wielkość efektu cieplnego dzielnicy.

układ termochemiczny. ur-kcje można rozwiązać, operując na światłach wchodzących, które są w identycznych stanach, jak zwykłe elementy maty. ur-cja.

MINISTERSTWO EDUKACJI FEDERACJI ROSYJSKIEJ

Państwowy Uniwersytet Techniczny w Woroneżu

PROJEKT KURSU

w dyscyplinie „Teoretyczne Podstawy Technologii Postępowej”

Temat: „Efekt termiczny reakcji chemicznej i jego praktyczne zastosowanie”.

Woroneż 2004

Wstęp ………………………………………………………………………	3
1. Efekt cieplny reakcji chemicznej………………………………...	4
1.1. Równania reakcji chemicznych…………………………………...	8
1.2. Podstawowe prawa termochemii……………………………….	10
2. Zastosowanie efektu cieplnego w praktyce………………………….	12
2.1 Powłoki żaroodporne……………………………………….	1
2.2 Termochemiczna metoda obróbki diamentów………………...	14
2.3 Surowce technologiczne do produkcji cementu………………	15
2.4. Bioczujniki………………………………………………………….	16
Wniosek………………………………………………………………….	17
Bibliografia…………………………………………………………	18

Wstęp

Efekty cieplne reakcji chemicznych są niezbędne do wielu obliczeń technicznych. Znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a także w rozwoju wojskowym.

1. Efekt termiczny reakcji chemicznej

Berthelot zbadał działanie materiałów wybuchowych: temperaturę wybuchu, szybkość spalania i propagację fali uderzeniowej itp.

Każda reakcja chemiczna polega na zerwaniu niektórych wiązań chemicznych i utworzeniu innych.

Reakcje zachodzące z uwolnieniem ciepła wykazują dodatni efekt cieplny (Q> 0, DH<0) и называются экзотермическими.

Reakcje związane z pochłanianiem ciepła z otoczenia (Q<0, DH>0), tj. z negatywnym efektem termicznym, są endotermiczne.

Przykładem jest powstawanie tlenku węgla (II) CO i wodoru H2 z węgla i wody, które następuje dopiero po podgrzaniu (rys. 1b).

Ryż. 1a

Ryż. 1b

Efekt termiczny - ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego przez układ chemiczny podczas zachodzącej w nim reakcji chemicznej.

Efekt termiczny oznaczono symbolami Q lub DH (Q = -DH). Jego wartość odpowiada różnicy między energiami stanów początkowych i końcowych reakcji:

DH = H con. - H ref. = E con. - E ref.

Ikony (d), (g) oznaczają stan gazowy i ciekły substancji. Istnieją również oznaczenia (tv) lub (k) - substancja stała, krystaliczna, (aq) - substancja rozpuszczona w wodzie itp.

Energię (E) zmagazynowaną w cząsteczkach można wykreślić w skali energetycznej. W tym przypadku efekt cieplny reakcji (DE) można przedstawić graficznie (rys. 2).

Rys.2. Graficzne przedstawienie efektu cieplnego (Q = D E): a) egzotermiczna reakcja spalania wodoru; b) endotermiczna reakcja rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego. Współrzędną reakcji (oś pozioma wykresu) można traktować np. jako stopień konwersji substancji (100% - całkowita konwersja materiałów wyjściowych).

1.1. Równania reakcji chemicznych

· Równania reakcji chemicznych, w których wraz z reagentami i produktami zapisuje się efekt cieplny reakcji, nazywane są równaniami termochemicznymi.

Weźmy przykład. W laboratorium niezwykle trudno jest przeprowadzić „w czystej postaci” reakcję otrzymywania metanu CH 4 przez bezpośrednie połączenie węgla z wodorem:

C + 2 H 2 \u003d CH 4

Ale możesz się wiele dowiedzieć o tej reakcji za pomocą obliczeń. Na przykład, aby dowiedzieć się, czy ta reakcja będzie egzo - lub endotermiczne, a nawet określić ilościowo wielkość efektu cieplnego.

Efekty termiczne reakcji spalania metanu, węgla i wodoru są znane (reakcje te są łatwe):

a) CH 4 (g) + 2 O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 890 kJ

b) C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 394 kJ

c) 2 H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2 H 2 O (l) + 572 kJ

CH 4 (g) - C (tv) - 2 H 2 (g) \u003d (890 - 394 - 572) kJ \u003d -76 kJ

C (tv) + 2 H 2 (g) \u003d CH 4 (g) + 76 kJ / mol

1.2. Podstawowe prawa termochemii

Dział chemii zajmujący się przemianami energii w reakcjach chemicznych nazywa się termochemią.

Istnieją dwie najważniejsze prawa termochemii. Pierwsze z nich, prawo Lavoisiera-Laplace'a, jest sformułowane w następujący sposób:

· Efekt termiczny reakcji bezpośredniej jest zawsze równy efektowi termicznemu reakcji odwrotnej o przeciwnym znaku.

2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l) + 572 kJ (spalanie wodoru w tlenie)

2 H 2 O (l) + 572 kJ \u003d 2 H 2 (g) + O 2 (g) (rozkład wody prądem elektrycznym)

Prawo Lavoisiera-Laplace'a jest konsekwencją prawa zachowania energii.

Drugie prawo termochemii zostało sformułowane w 1840 roku przez rosyjskiego akademika G. I. Hessa:

· Efekt termiczny reakcji zależy tylko od początkowego i końcowego stanu substancji i nie zależy od pośrednich etapów procesu.

2. Zastosowanie efektu cieplnego w praktyce

2.1 Powłoki żaroodporne

Rozwój technologii wysokotemperaturowej wymaga tworzenia szczególnie odpornych na ciepło materiałów. Ten problem można rozwiązać, stosując metale ogniotrwałe i żaroodporne. Powłoki międzymetaliczne cieszą się coraz większym zainteresowaniem, ponieważ posiadają wiele cennych właściwości: odporność na utlenianie, agresywne topienie, odporność na ciepło itp. Interesująca jest również znacząca egzotermiczność powstawania tych związków z ich pierwiastków składowych Istnieją dwa sposoby wykorzystania egzotermii reakcji do tworzenia związków międzymetalicznych. Pierwszym z nich jest produkcja kompozytowych, dwuwarstwowych proszków. Po podgrzaniu składniki proszku oddziałują ze sobą, a ciepło reakcji egzotermicznej kompensuje ochłodzenie cząstek, które docierają do chronionej powierzchni w stanie całkowicie roztopionym i tworzą niskoporowatą powłokę mocno przylegającą do podłoża. Inną opcją byłoby zastosowanie mechanicznej mieszanki proszków. Przy wystarczającym ogrzaniu cząstek oddziałują one już w warstwie powłoki. Jeżeli wielkość efektu termicznego jest znaczna, może to prowadzić do samostopienia się warstwy powłoki, powstania pośredniej warstwy dyfuzyjnej, która zwiększa siłę adhezji i uzyskania gęstej, niskoporowatej struktury powłoki. Przy wyborze kompozycji tworzącej powłokę międzymetaliczną o dużym efekcie termicznym i posiadającej wiele cennych właściwości - odporność na korozję, wystarczającą odporność na ciepło i zużycie, uwagę zwracają aluminidki niklu, w szczególności NiAl i Ni 3 Al. Powstawaniu NiAl towarzyszy maksymalny efekt cieplny.

2.2 Termochemiczna metoda obróbki diamentów

2.3. Surowce technologiczne do produkcji cementu

Dalsza intensyfikacja produkcji cementu wiąże się z powszechnym wprowadzaniem technologii energooszczędnych i zasobooszczędnych wykorzystujących odpady z różnych gałęzi przemysłu.

Podczas przetwarzania rud skarnowo-magnetytowych uwalniane są odpady suchej separacji magnetycznej (SMS), które są pokruszonym materiałem podobnym do kamienia o wielkości ziarna do 25 mm. Odpady CMC mają dość stabilny skład chemiczny, % wag.: SiO 2 40…45, Al 2 O 3 10…12, Fe 2 O 3 15…17, CaO 12…13, MgO 5…6, S 2…3, R 2 O 2…4. Wykazano możliwość wykorzystania odpadów CMC w produkcji klinkieru cementu portlandzkiego. Powstałe cementy charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi.

Główne zalety wykorzystania odpadów ze wzbogacania rudy skarnowo-magnetytowej w produkcji cementu to:

Rozbudowa bazy surowcowej kosztem źródła technogenicznego;

Oszczędność naturalnych surowców przy zachowaniu jakości cementu;

Obniżenie kosztów paliwa i energii do wypalania klinkieru;

Możliwość produkcji niskoenergetycznych, aktywnych nisko zasadowych klinkierów;

Rozwiązywanie problemów środowiskowych poprzez racjonalną utylizację odpadów oraz redukcję emisji gazów do atmosfery podczas wypalania klinkieru.

2.4. Bioczujniki

Biosensory - czujniki oparte na unieruchomionych enzymach. Umożliwia szybką i wydajną analizę złożonych, wieloskładnikowych mieszanin substancji. Obecnie coraz częściej znajdują zastosowanie w wielu gałęziach nauki, przemyśle, rolnictwie i ochronie zdrowia. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie enzymologii i inżynierskiej enzymologii posłużyły jako podstawa do stworzenia automatycznych systemów do analizy enzymatycznej. Unikalne właściwości enzymów – specyficzność działania i wysoka aktywność katalityczna – przyczyniają się do prostoty i wysokiej czułości tej metody analitycznej, a duża liczba obecnie znanych i przebadanych enzymów pozwala na ciągłe poszerzanie listy analizowanych substancji.

Wniosek.

Bibliografia

1. Musabekov Yu. S., Marselin Berthelot, M., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929.

2. Patent 852586 Federacja Rosyjska. MKI V 28 D 5/00. Metoda obróbki wymiarowej diamentu /A.P.Grigoriev, S.Kh.Lifshits, P.P.Shamaev (Federacja Rosyjska). - 2 sek.

3. Klassen VK . Bilans materiałowy Obliczenia termotechniczne jednostek cieplnych. - Biełgorod: BTISM, 1978. -114 pkt.

4. Peregudov V.V., Rogovoi M.I. Procesy i instalacje cieplne w technologii wyrobów i części budowlanych - M.: Stroyizdat, 1983.-416s.

5. E-mail: [e-mail chroniony]

6. „Biotechnologie” (http://www.ictc.ru/R_42.htm).

7. S.D. Warfolomeev, Yu.M. mgr Evdokimov Ostrowskiego. „BIULETYN ROSYJSKIEJ AKADEMII NAUK”.

Wszelkim procesom chemicznym, a także szeregowi fizycznych przemian substancji (parowanie, kondensacja, topienie, przemiany polimorficzne itp.) Zawsze towarzyszy zmiana energii wewnętrznej systemów. Termochemia - To dziedzina chemii, która bada zmiany ilości ciepła w trakcie procesu. Jednym z twórców termochemii jest rosyjski naukowiec G. I. Hess.

Efekt cieplny reakcji chemicznej to ciepło uwalniane lub pochłaniane podczas reakcji chemicznej. Standardowy efekt termiczny reakcji chemicznej to ciepło uwalniane lub pochłaniane podczas reakcji chemicznej w standardowych warunkach. Wszystkie procesy chemiczne można podzielić na dwie grupy: egzotermiczne i endotermiczne.

egzotermiczny to reakcje, w których ciepło jest uwalniane do środowiska. W tym przypadku zapas energii wewnętrznej substancji wyjściowych (U 1) jest większy niż produktów wynikowych (U 2). Dlatego U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.

Endotermiczny Są to reakcje, w których ciepło jest pochłaniane z otoczenia. W tym przypadku zapas energii wewnętrznej substancji wyjściowych (U 1) jest mniejszy niż produktów wynikowych (U 2). W konsekwencji ∆U > 0, a to prowadzi do powstania termodynamicznie niestabilnych substancji. W przeciwieństwie do termodynamiki, w termochemii ciepło uwalniane jest uważane za dodatnie, a ciepło pochłonięte za ujemne. Ciepło w termochemii jest oznaczane przez Q. Jednostką ciepła jest J/mol lub kJ/mol. W zależności od warunków procesu występują izochoryczne i izobaryczne efekty termiczne.

Izochoryczny (Q V) efekt cieplny to ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego podczas danego procesu w stałej objętości (V \u003d const) i równych temperaturach stanu końcowego i początkowego (T 1 \u003d T 2).

Izobaryczny (Q p) efekt termiczny to ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego podczas tego procesu przy stałym ciśnieniu (p \u003d const) oraz równość temperatur stanu końcowego i początkowego (T 1 \u003d T 2).

Dla układów ciekłych i stałych zmiana objętości jest niewielka i można założyć, że Q p » Q V . Do systemów gazowych

Q р = Q V – ∆nRT, (4.3)

gdzie ∆n jest zmianą liczby moli uczestników gazowych reakcji

∆n = ån cd. reakcje – ån ref. Substancje. (4.4)

We wszystkich przypadkach przekształcenie części energii wewnętrznej (chemicznej) w termiczną (lub inną formę) i odwrotnie, cieplną w chemiczną zachodzi w ścisłej zgodności z zasadą zachowania energii i pierwszą zasadą termodynamiki.

W termochemii zwyczajowo używa się równania termochemiczne są to równania reakcji chemicznych, w których substancje początkowe są podane po lewej stronie równości, a produkty reakcji plus (lub minus), efekt cieplny są podane po prawej stronie, a stan skupienia substancji i pokazano również ich formy krystaliczne. Na przykład,

C grafit + O 2 \u003d CO 2 (g) + 393,77 kJ

H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O (l) + 289,95 kJ

C (diament) + 2S (romb) \u003d CS 2 (g) - 87,9 kJ

Za pomocą równań termochemicznych możesz wykonywać wszystkie operacje algebraiczne: dodawać, odejmować, mnożyć, przenosić człony itp.

Efekty cieplne wielu procesów chemicznych i fizycznych są określane empirycznie (kalorymetria) lub obliczane teoretycznie z wykorzystaniem żarów tworzenia (rozkładu) i żarów spalania niektórych związków chemicznych.

Upał edukacji danego związku to ilość ciepła uwolnionego lub pochłoniętego podczas tworzenia 1 mola z prostych substancji w kJ. Ciepła powstawania prostych substancji, które w normalnych warunkach są w stanie stabilnym, przyjmuje się jako zero. W reakcjach

K (tv) + 1/2Cl (g) = KS1 (tv) + 442,13 kJ

C (tv) + 1/2H 2 (g) + 1/2N (g) = HCN (g) - 125,60 kJ

efekty cieplne 442,13 kJ i -125,60 kJ to odpowiednio ciepła tworzenia KCl i HCN. Ciepła rozkładu tych związków na substancje proste, zgodnie z zasadą zachowania energii, są równe w wartościach bezwzględnych, ale przeciwne, tj. dla KCl ciepło rozkładu wynosi -442,13 kJ, a dla HCN +125,60 kJ.

Im więcej ciepła uwalnia się podczas tworzenia związku, tym więcej ciepła trzeba zużyć na jego rozkład i tym silniejszy jest dany związek w normalnych warunkach. Substancje stabilne chemicznie i trwałe to: SiO 2, A1 2 O 3, P 2 O 5, KCl, NaCl itp. Substancje powstające z absorpcją ciepła są mało stabilne (np. NO, CS 2, C 2 H 2, HCN i wszystkie materiały wybuchowe). Ciepła powstawania związków organicznych nie da się określić doświadczalnie. Oblicza się je teoretycznie na podstawie stwierdzonych empirycznie wartości kaloryczności tych związków.

Ciepło spalania Ciepło uwalniane podczas całkowitego spalania 1 mola substancji w strumieniu tlenu to tzw. Ciepła spalania wyznaczane są na jednostce kalorymetrycznej, której głównymi częściami są: butla tlenowa, bomba kalorymetryczna, kalorymetr z odważoną ilością wody i mieszadłem oraz elektryczne urządzenie zapłonowe.

Wielkość efektów termicznych reakcji chemicznych zależy od wielu czynników: charakteru substancji reagujących, stanu skupienia substancji początkowej i końcowej, warunków reakcji (temperatury, ciśnienia, objętości układu, stężenia).

(Strona została przygotowana z materiałów z serwisuhttp://www.hemi.nsu.ru/ucheb211.htm )

Energia związków chemicznych koncentruje się głównie w wiązaniach chemicznych. Aby zerwać wiązanie między dwoma atomami, potrzeba zużywać energię. Kiedy tworzy się wiązanie chemiczne, uwalniana jest energia.

Atomy nie łączyłyby się ze sobą, gdyby nie prowadziło to do „zyskania” (czyli uwolnienia) energii. Ten zysk może być duży lub mały, ale na pewno istnieje w tworzeniu cząsteczek z atomów.

Każda reakcja chemiczna polega na zerwaniu niektórych wiązań chemicznych i utworzeniu innych.

Gdy w wyniku reakcji chemicznej podczas tworzenia nowych wiązań uwalnia się więcej energii niż potrzeba do zniszczenia „starych” wiązań w pierwotnych substancjach, wówczas nadmiar energii zostaje uwolniony w postaci ciepła. Przykładem są reakcje spalania. Na przykład gaz ziemny (metan CH 4) spala się w tlenie atmosferycznym z wydzieleniem dużej ilości ciepła.

Reakcja może przejść nawet do eksplozji - tyle energii zawiera ta transformacja. Takie reakcje nazywają się egzotermiczny od łacińskiego „exo” - na zewnątrz (odnosząc się do uwolnionej energii).

W innych przypadkach zniszczenie wiązań w substancjach wyjściowych wymaga więcej energii niż może zostać uwolnione podczas tworzenia nowych wiązań. Takie reakcje zachodzą tylko przy dopływie energii z zewnątrz i są nazywane endotermiczny (od łacińskiego „endo” - wewnątrz). Przykładem jest powstawanie tlenku węgla (II) CO i wodoru H 2 z węgla i wody, które zachodzi tylko po podgrzaniu.

Przedstawienie reakcji chemicznych za pomocą modeli molekularnych: a) reakcja egzotermiczna, b) reakcja endotermiczna. Modele wyraźnie pokazują, jak przy stałej liczbie atomów stare wiązania chemiczne są niszczone między nimi i powstają nowe wiązania chemiczne.

2 H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2 H 2 O (g) + 572 kJ

lub

H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) \u003d H 2 O (g) + 286 kJ

Oba równania są jednakowo poprawne i oba wyrażają efekt cieplny egzotermicznej reakcji tworzenia się wody z wodoru i tlenu. Pierwsza dotyczy 1 mola zużytego tlenu, a druga 1 mola spalonego wodoru lub 1 mola powstałej wody.

Ikony (d), (g) oznaczają stan gazowy i ciekły substancji. Istnieją również oznaczenia (tv) lub (k) - substancja stała, krystaliczna, (aq) - substancja rozpuszczona w wodzie itp.

Wykorzystywany jest również szczególny przypadek efektu termicznego reakcji - ciepło spalania. Z samej nazwy jasno wynika, że ciepło spalania służy do scharakteryzowania substancji używanej jako paliwo. Ciepło spalania odnosi się do 1 mola substancji będącej paliwem (reduktor w reakcji utleniania), na przykład:

C 2 H 2 +2,5 O 2 \u003d 2 CO 2 + H 2 O + 1300 kJ

Acetylen wartość opałowa acetylenu

Energię (E) zmagazynowaną w cząsteczkach można wykreślić w skali energetycznej. W tym przypadku efekt cieplny reakcji (AE) można przedstawić graficznie.

Graficzne przedstawienie efektu cieplnego: a) egzotermiczna reakcja spalania wodoru; b) endotermiczna reakcja rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego. Współrzędną reakcji (oś pozioma wykresu) można traktować np. jako stopień konwersji substancji (100% - całkowita konwersja materiałów wyjściowych).

Nazywa się równania reakcji chemicznych, w których wraz z reagentami i produktami zapisywany jest również efekt cieplny reakcji równania termochemiczne .

Weźmy przykład. W laboratorium niezwykle trudno jest przeprowadzić „w czystej postaci” reakcję otrzymywania metanu CH 4 przez bezpośrednie połączenie węgla z wodorem:

C + 2H2 = CH4

Efekty termiczne reakcji spalania metanu, węgla i wodoru są znane (reakcje te są łatwe):

a) CH4 (g) + 2O2 (g) \u003d CO2 (g) + 2H2O (g) + 890 kJ

b) C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 394 kJ

c) 2H2 (g) + O2 (g) \u003d 2H2O (g) + 572 kJ

CH 4 (g) - C (tv) - 2H 2 (g) \u003d (890 - 394 - 572) kJ \u003d -76 kJ

C (tv) + 2H 2 (g) \u003d CH 4 (g) + 76 kJ / mol

Podstawowe prawa termochemii

Dział chemii zajmujący się konwersją energii w reakcjach chemicznych nazywa się termochemia .

Istnieją dwie najważniejsze prawa termochemii. Pierwszy, prawo Lavoisier-Laplace , jest sformułowana w następujący sposób:

Efekt termiczny reakcji postępującej jest zawsze równy efektowi termicznemu reakcji odwrotnej o przeciwnym znaku.

2H2 (g) + O2 (g) \u003d 2H2O (g) + 572 kJ (spalanie wodoru w tlenie)

2 H 2 O (g) + 572 kJ \u003d 2H 2 (g) + O 2 (g) (rozkład wody prądem elektrycznym)

Prawo Lavoisiera-Laplace'a jest konsekwencją prawa zachowania energii.

Drugie prawo termochemii zostało sformułowane w 1840 roku przez rosyjskiego akademika G. I. Hess:

Efekt termiczny reakcji zależy tylko od początkowego i końcowego stanu substancji i nie zależy od pośrednich etapów procesu.

Zastosowanie efektu termicznego w praktyce

„zawartość kalorii 320 kcal/100 g”.