Главная | Обратная связь

ЭНТАЛЬПИЯ - это тепловой эффект реакции, измеренный (или вычисленный) для случая, когда реакция происходит в открытом сосуде (т.е. при неизменном давлении). Обозначается как DH.

Когда объем, занимаемый продуктами реакции, отличается от объема, занимаемого реагентами, химическая система может совершить дополнительную работу PDV (где P - давление, а DV - изменение объема). Поэтому DН и DЕ связаны между собой соотношением:

DН = DЕ + PDV

Итак, если реакция проводится не в "бомбе", то ЭНТАЛЬПИЯ и ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ совпадают между собой. Энтальпию называют также "теплосодержанием". Если мы проводим реакцию получения воды в открытом сосуде, то 286 кДж/моль - это "тепло" DН, содержащееся в водороде и кислороде для случая, когда мы получаем из них воду. Поскольку исходные вещества (водород и кислород) находились в нашем опыте в стандартных условиях (25 ^оС и давлении 1 атм), а продукт реакции (воду) мы тоже привели к стандартным условиям, мы вправе сказать, что 286 кДж/моль - это СТАНДАРТНАЯ ТЕПЛОТА ОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ или, что то же - СТАНДАРТНАЯ ЭНТАЛЬПИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ.

Если мы будем получать из тех же элементов не воду, а перекись водорода H₂O₂, то "теплосодержание" такой химической системы будет иным (187,6 кДж/моль). Во время протекания реакций с образованием 1 моля воды или 1 моля H₂O₂ освобождается разное количество энергии, чего и следовало ожидать. В дальнейшем стандартную теплоту образования веществ мы чаще будем называть именно стандартной энтальпией образования DН. Чтобы подчеркнуть справедливость этой величины только для стандартных условий, в таблицах её обозначают следующим образом:

DН^о

₂₉₈

Маленький "нолик" рядом с DН по традиции символизирует некое стандартное состояние, а цифра 298 напоминает, что значения приведены для веществ при 25 ^оС (или 298 К). Стандартная энтальпия не обязательно должна быть энтальпией образования вещества из элементов. Можно получить значение стандартной энтальпии DН^о₂₉₈ для любой химической реакции. Но в нашем случае с получением воды из водорода и кислорода мы получили именно стандартную энтальпию образования воды. Записывается это так:

H₂ + 0,5 O₂ = H₂O (DН^о₂₉₈ = -286 кДж/

моль)

Откуда взялся знак "минус" перед значением теплового эффекта? Здесь автор со вздохом должен сообщить читателю о еще одной особенности представления теплоты (и энтальпии) в термодинамике. Здесь принято потерянную любой системой энергию представлять со знаком "минус". Рассмотрим, например, уже знакомую нам систему из молекул метана и кислорода. В результате экзотермической реакции между ними происходит выделение теплоты

:

СH₄(г) + 2 O₂(г) = СO₂(г) + 2 H₂О(ж) + 890 кДж

Можно записать эту реакцию и другим уравнением, где выделившаяся ("потерянная") теплота имеет знак "минус":

СH₄(г) + 2 O₂(г) – 890 кДж = СO₂(г) + 2 H₂О(ж)

По традиции энтальпию этой и других экзотермических реакций в термодинамике принято записывать со знаком "минус":

DН^о₂₉₈ = –890 кДж/

моль (энергия выделяется).

Наоборот, если в результате эндотермической реакции система поглотила энергию, то энтальпия такой эндотермической реакции записывается со знаком "плюс". Например, для уже знакомой нам реакции получения

CO и водорода из угля и воды (при нагревании):

C(тв) + H₂О(г) + 131,3 кДж = CO(г) + H₂

(г)

(DН^о₂₉₈ = +131,3 кДж/

моль)

К этой особенности термодинамического языка следует просто привыкнуть, хотя на первых порах путаница со знаками может изрядно досаждать при решении задач.

Давайте попробуем решить одну и ту же задачу сначала в термодинамической шкале (где выделяемая реакцией теплота имеет знак "минус"), а потом в термохимической шкале (которой мы пользовались в предыдущем параграфе и где выделяемая реакцией энергия имеет знак "плюс").

Итак, приведем пример расчета теплового эффекта реакции:

Fe₂O₃

(тв) + 3 C(графит) = 2 Fe(тв) + 3 CO(г)

Эта реакция происходит в доменной печи при очень высокой температуре (около 1500 ^оС). В справочниках, где используется термодинамическая шкала, можно найти стандартные теплоты образования

Fe₂O₃ (DН^о₂₉₈ = –822,1 кДж/моль) и СО (DН^о₂₉₈ = – 110,5 кДж/

моль). Два других вещества из этого уравнения - углерод и железо - являются элементами, то есть их теплота образования по определению равна нулю. Поэтому стандартная теплота рассматриваемой реакции равна:

DН^о₂₉₈ = 3×

(-110,5) - (-822,1) = -331,5 + 822,1 = +490,6 кДж

Итак, реакция восстановления оксида железа

(III) углеродом является эндотермической (DН^о₂₉₈ положительна!), причем на восстановление одного моля Fe₂O₃ тремя молями углерода надо было бы затратить 490,6 кДж, если исходные вещества до начала реакции и продукты после окончания реакции находятся в стандартных условиях (то есть при комнатной температуре и атмосферном давлении). Не имеет значения, что исходные вещества пришлось сильно нагреть для того, чтобы реакция произошла. Величина DН^о₂₉₈ = +490,6 кДж отражает "чистый" тепловой эффект эндотермической реакции, в которой реагенты сначала разогревались внешним источником тепла от 25 до 1500 ^оС, а в конце реакции продукты опять остывали до комнатной температуры, отдав все тепло в окружающую среду.

При этом отданного тепла будет меньше, чем пришлось потратить на разогрев, потому что часть тепла поглотилась в реакции.

Проведем тот же расчет, используя термохимическую шкалу. Допустим, известны теплоты сгорания углерода и железа в кислороде (при неизменном давлении)

:

1) C + 1/2 O₂ = CO + 110,5

кДж

2) 2 Fe + 3/2 O₂ = Fe₂O₃ + 822,1

кДж

Чтобы получить тепловой эффект интересующей нас реакции, умножим первое уравнение на 3, а второе перепишем в обратном порядке:

1) 3 C + 3/2 O₂ = 3 CO + 331,5

кДж

2) Fe₂O₃ + 822,1 кДж = 2 Fe + 3/2 O₂

Теперь почленно сложим оба уравнения:

3 C + 3/2 O₂ + Fe₂O₃ + 822,1 кДж = 3 CO + 331,5 кДж + 2 Fe + 3/2 O

₂

После сокращения в обоих частях уравнения кислорода (3/2 O₂) и переноса 822,1 кДж в правую часть получим:

3 C + Fe₂O₃ = 3 CO + 2 Fe –

490,6 кДж

Итак, мы получили тот же самый результат, но уже в термохимической шкале. В уравнениях для простоты мы не указывали каждый раз агрегатное состояние веществ, однако предполагали, что оно одинаковое в разных процессах. Во-вторых, в начале и в конце каждого опыта реагенты и продукты должны находиться в одинаковых (стандартных) условиях – при комнатной температуре и давлении 1 атм..

Читатель должен сам выбрать способ решения термохимических задач, который ему больше по душе. Однако следует помнить, что в современных задачниках чаще используется термодинамическая шкала.

ЗАДАЧИ

Приведенные в этом параграфе задачи взяты из книги: Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин. "2400 задач по химии для школьников и поступающих в вузы". М.: "Дрофа", 1999, с. 59, 63.

1.4. Белый фосфор и черный фосфор – две аллотропные модификации элемента фосфора. Уравнение горения фосфора в кислороде можно представить в виде:

P + 5/4 O₂ = 1/2 P₂O

₅

При стандартных условиях теплота сгорания белого фосфора равна 760,1 кДж/моль, а теплота сгорания черного фосфора равна 722,1 кДж/моль. Чему равна теплота превращения черного фосфора в белый при стандартных условиях?

1.5. Какие из нижеприведенных реакций являются эндотермическими?

а) 1/2 N₂ + O₂ = NO₂; DН^о₂₉₈ = 33,5 кДж/моль.

б) 1/2 N₂ + 3/2 H₂ = NH₃; DН^о₂₉₈ = -46 кДж/моль.

в) 1/2 N₂ + 1/2 O₂ = NO; DН^о₂₉₈ = 90 кДж/моль.

г) H₂ + 1/2 O₂ = H₂O; DН^о₂₉₈ = -286 кДж/моль.

1.6. Сколько энергии надо затратить для разложения 9 г воды на водород и кислород в стандартных условиях?

1.7. Даны стандартные энтальпии следующих реакций:

H₂ = H + H (DН^о₂₉₈ = 436 кДж/моль)

Cl₂ = Cl + Cl (DН^о₂₉₈ = 243 кДж/моль)

Стандартная энтальпия образования HCl составляет -92 кДж/моль. Рассчитайте энергию связи в молекуле HCl.

1.8. Исходя из термохимических уравнений реакций

KClO₃ = KCl + 3/2 O₂ (DН^о₂₉₈ = -49,4 кДж/моль);

KСlO₄ = KCl + 2 O₂ (DН^о₂₉₈ = 33 кДж/моль),

рассчитайте DН^о₂₉₈ для реакции: 4 KClO₃ = 3 KClO₄ + KCl.