Căldura medie a reacției. Efectul termic al unei reacții chimice

29.09.2019

Amigdalele

Efectul termic al unei reacții chimice

În cursul unei reacții chimice, are loc o rearanjare a legăturilor chimice în molecule, o tranziție de la o stare de agregare la alta etc. Toate acestea duc la o schimbare a energiei interne a sistemului. În acest caz, sistemul poate lucra și face schimb de energie cu mediul înconjurător. Deoarece toate tipurile de energie pot fi reduse la o cantitate echivalentă de căldură, atunci în termodinamica chimică se vorbește despre efectul termic al unei reacții chimice.

Efectul termic al unei reacții chimice - cantitatea de căldură care este eliberată sau absorbită în timpul reacției atunci când sunt îndeplinite următoarele condiții:

Procesul este ireversibil la volum constant sau presiune;

Nu se lucrează în sistem, cu excepția lucrărilor extensiei;

Produsele de reacție au aceeași temperatură ca și materiile prime.

Conform primei legi a termodinamicii, efectul termic al reacției este: D Î\u003d D U + p ×D V.Deoarece căldura nu este o funcție a stării, magnitudinea efectului termic al unei reacții chimice depinde de condițiile de implementare (cale) a procesului. Distingeți efectul termic al unei reacții chimice efectuate în condiții izocorice (D Q V\u003d D U V) și izobaric (D Q p\u003d D U p + p ×D V\u003d D H).

Evident, D Q p–D Q V= p ×D V... Pentru reacțiile care au loc în faza condensată (lichide, solide), D V»0, șiD Q p»D Q V.

Cel mai adesea, reacțiile chimice sunt efectuate la presiune constantă, prin urmare, atunci când se efectuează calcule termodinamice, efectul termic este de obicei utilizat la presiune constantă D Q p. În acest caz, corespunde schimbării entalpiei sistemului în timpul reacției D Q p\u003d D r N (index r indică o modificare a funcției termodinamice, în acest caz entalpia, în timpul unei reacții chimice).

Se numesc reacții care provin cu eliberarea căldurii în mediu exoterm, și reacțiile care decurg din absorbția căldurii din mediu - endotermic... Deoarece efectul termic al reacției corespunde unei modificări a entalpiei sistemului, este evident că pentru procesele exoterme D r N<0, а для эндотермических D r N>0.

Deoarece pentru reacțiile chimice care se desfășoară în condiții izobarice sau izocorice, căldura capătă proprietăți funcții de stat, atunci se poate argumenta că efectul termic al reacției depinde doar de tipul și starea substanțelor inițiale și a produselor finale și nu depinde de calea transformării unor substanțe în altele (etape intermediare). Această afirmație poate fi privită ca o aplicație a primei legi a termodinamicii la reacțiile chimice. Se numeste legea lui Hess și este legea de bază a termochimiei.

G.I. Hess (Academia de Științe din Sankt Petersburg) a stabilit empiric că „dacă se pot obține alte substanțe din unele substanțe inițiale în mai multe moduri, atunci cantitatea totală de căldură eliberată în timpul formării acestor substanțe va fi întotdeauna aceeași, indiferent de metoda de producție. "

Exemplu.Luați în considerare reacția de interacțiune a unui mol de carbon (grafit) și oxigen cu formarea dioxidului de carbon la o temperatură T\u003d 298 K.

Acest proces poate fi realizat în două moduri:

1) C (grafit) + O 2 \u003d CO 2; D r N 1 \u003d –393,51 kJ;

2) C (grafit) + 0,5O 2 \u003d CO; D r N 2 \u003d -110,53 kJ;

CO + 0,5O2 \u003d CO2; D r N 3 \u003d –282,98 kJ.

Figura: 5-3 Diagrama schimbării entalpiei sistemului atunci când un mol de carbon interacționează cu oxigenul pentru a forma dioxid de carbon

Diagrama schimbării entalpiei sistemului este prezentată în Figura 5.3. Se vede din ea că D r N 1 \u003d D r N 2 + D r N 3. Dacă efectul termic al uneia dintre reacții este necunoscut, atunci acesta poate fi calculat, cunoscând restul. De exemplu, dacă D r N 1 și D r N 3, apoi D r N 2 \u003d D r N 1 –D r N 3 .

Astfel, folosind legea lui Hess, este posibil să se calculeze efectele termice ale reacțiilor chimice în acele cazuri în care determinarea lor experimentală este imposibilă sau dificilă. Mai mult, pe baza datelor experimentale disponibile pentru un număr relativ mic de reacții chimice, este posibil să se efectueze calcule termodinamice atât ale proceselor reale, cât și ale proceselor ipotetice.

Efectul termic al reacției în cazul general ia în considerare tranziția unui anumit număr de moli ai substanței de pornire la un anumit număr de moli ai substanței finale, conform ecuației reacției. În acest caz, valoarea numerică a efectului de căldură se referă la ecuația unei reacții chimice specifice și la dimensiunea sa [kJ]. Se numește ecuația unei reacții chimice, inclusiv efectul său termic ecuație termochimică.

Căldura reacției este adesea denumită conversia unui mol dintr-o substanță. Coeficientul stoichiometric din ecuația de reacție pentru o substanță dată este egal cu unul, iar coeficienții pentru alte substanțe pot fi atât întregi, cât și fracționare. În acest caz, dimensiunea efectului termic este [kJ / mol]. Efectele termice ale reacțiilor de formare a unui mol dintr-o substanță sunt acceptate pentru a indica D f H, iar efectele termice ale reacțiilor de ardere ale unui mol dintr-o substanță sunt D c H.

Sau schimbarea entalpiei sistemului datorită apariției unei reacții chimice - cantitatea de căldură, referită la modificarea variabilei chimice, primită de sistemul în care a avut loc reacția chimică și produsele de reacție au luat temperatura a reactivilor.

Pentru ca efectul termic să fie o valoare care depinde doar de natura reacției chimice în curs, trebuie îndeplinite următoarele condiții:

Reacția trebuie să se desfășoare fie la un volum constant Î v (proces izocoric), sau la presiune constantă Î p (proces izobaric).
Nu se lucrează în sistem, cu excepția posibilelor lucrări de extindere la P \u003d const.

Dacă reacția se desfășoară în condiții standard la T \u003d 298,15 K \u003d 25 ˚C și P \u003d 1 atm \u003d 101325 Pa, efectul termic se numește efectul termic standard al reacției sau entalpia standard a reacției Δ H r O. În termochimie, căldura standard a reacției este calculată folosind entalpii standard de formare.

Entalpia standard de formare (căldură standard de formare)

Căldura standard de formare este înțeleasă ca efectul de căldură al reacției de formare a unui mol de substanță din substanțe simple, constituenții săi, care se află în stări standard stabile.

De exemplu, entalpia standard de formare a 1 mol de metan din carbon și hidrogen este egală cu efectul termic al reacției:

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

Entalpia standard de formare este notată cu Δ H f O. Aici indicele f înseamnă formare, iar cercul tăiat, care amintește de un disc Plimsol, înseamnă că valoarea se referă la starea standard a materiei. În literatură, se găsește adesea o altă denumire pentru entalpia standard - ΔH 298,15 0, unde 0 indică egalitatea presiunii într-o atmosferă (sau, mai exact, condiții standard), iar 298,15 este temperatura. Uneori indexul 0 este utilizat pentru valorile legate de substanta pura, stipulând că pot indica cantități termodinamice standard numai atunci când substanța pură este aleasă ca stare standard. De exemplu, starea unei substanțe într-o soluție extrem de diluată poate fi acceptată și ca standard. „Discul Plimsol” în acest caz înseamnă starea standard reală a substanței, indiferent de alegerea sa.

Entalpia de formare a substanțelor simple este considerată zero, iar valoarea zero a entalpiei de formare se referă la starea de agregare stabilă la T \u003d 298 K. De exemplu, pentru iod în stare cristalină, Δ H I 2 (tv) 0 \u003d 0 kJ / mol, iar pentru iod lichid Δ H I 2 (l) 0 \u003d 22 kJ / mol. Entalpiile de formare a substanțelor simple în condiții standard sunt principalele lor caracteristici energetice.

Efectul de căldură al oricărei reacții se găsește ca diferență între suma căldurilor de formare a tuturor produselor și suma căldurilor de formare a tuturor reactivilor într-o reacție dată (o consecință a legii lui Hess):

Δ H reacția O \u003d ΣΔ H f O (produse) - ΣΔ H f O (reactivi)

Efectele termochimice pot fi încorporate în reacțiile chimice. Ecuațiile chimice în care este indicată cantitatea de căldură degajată sau absorbită se numesc ecuații termochimice. Reacțiile însoțite de eliberarea căldurii în mediu au un efect termic negativ și se numesc exoterme. Reacțiile însoțite de absorbția căldurii au un efect termic pozitiv și se numesc endoterme. Efectul de căldură se referă de obicei la un mol de materie primă care a reacționat cu cel mai mare coeficient stoichiometric.

Dependența de temperatură a efectului de căldură (entalpia) reacției

Pentru a calcula dependența de temperatură a entalpiei de reacție, este necesar să se cunoască capacitățile de căldură molară ale substanțelor care participă la reacție. Modificarea entalpiei de reacție cu o creștere a temperaturii de la T 1 la T 2 este calculată conform legii Kirchhoff (se presupune că în acest interval de temperatură capacitățile de căldură molară nu depind de temperatură și nu există transformări de fază) :

Dacă transformările de fază apar într-un interval de temperatură dat, atunci în calcul este necesar să se țină seama de căldurile transformărilor corespunzătoare, precum și de modificarea dependenței de temperatură a capacității termice a substanțelor care au suferit astfel de transformări:

unde ΔC p (T 1, T f) este schimbarea capacității de căldură în intervalul de temperatură de la T 1 la temperatura de tranziție de fază; ΔC p (T f, T 2) este schimbarea capacității de căldură în intervalul de temperatură de la temperatura de tranziție de fază la temperatura finală, iar T f este temperatura de tranziție de fază.

Entalpia standard de ardere - Δ H munții, efectul termic al reacției de ardere a unui mol de substanță în oxigen pentru a forma oxizi în cea mai înaltă stare de oxidare. Căldura de ardere a substanțelor necombustibile este considerată zero.

Entalpia standard de dizolvare - Δ H soluție, efectul termic al procesului de dizolvare a 1 mol dintr-o substanță într-o cantitate infinit de mare de solvent. Acesta constă în căldura de distrugere a rețelei cristaline și căldura de hidratare (sau căldura de solvație pentru soluțiile neapoase) eliberate ca urmare a interacțiunii moleculelor de solvent cu moleculele sau ionii solutului pentru a forma compuși de variabile compoziție - hidrați (solvați). Distrugerea rețelei de cristal, de regulă, este un proces endoterm - Δ H res\u003e 0, iar hidratarea ionilor este exotermă, Δ H hydras< 0. В зависимости от соотношения значений ΔH res și Δ H hid, entalpia dizolvării poate avea atât valori pozitive, cât și negative. Deci, dizolvarea hidroxidului de potasiu cristalin este însoțită de eliberarea de căldură:

Δ H soluție KOH o \u003d Δ H res o + Δ H hydrK + o + Δ H hidroH - o \u003d −59 kJ / mol

Sub entalpia hidratării - Δ H hid, ne referim la căldura care este eliberată în timpul tranziției a 1 mol de ioni de la vid la soluție.

Entalpia standard de neutralizare - Δ H neutronul este entalpia reacției de interacțiune a acizilor și bazelor puternice cu formarea a 1 mol de apă în condiții standard:

HCI + NaOH \u003d NaCl + H 2 O H + + OH - \u003d H 2 O, ΔH neutru ° \u003d −55,9 kJ / mol

Entalpia standard de neutralizare pentru soluțiile concentrate de electroliți puternici depinde de concentrația ionilor, datorită modificării valorii ΔH de hidratare ° a ionilor la diluare.

Note

Literatură

Knorre D.G., Krylova L.F., Muzykantov V.S. Chimie Fizica. - M .: Școala superioară, 1990
Atkins P. Chimie Fizica. - Moscova. : Pace, 1980

Fundația Wikimedia. 2010.

Nenyukov, Dmitry Vsevolodovich
Ora vrăjitoarei

Vedeți care este „efectul termic al unei reacții chimice” în alte dicționare:

efectul termic al unei reacții chimice - Căldura absorbită (eliberată) ca urmare a transformării chimice a substanțelor inițiale în produse de reacție în cantități corespunzătoare ecuației reacției chimice în următoarele condiții: 1) singura lucrare posibilă în acest caz este ... ... Ghidul traducătorului tehnic

Efectul termic al unei reacții chimice - - căldură absorbită (eliberată) ca rezultat al transformării chimice a materiilor prime în produse de reacție în cantități corespunzătoare ecuației reacției chimice în următoarele condiții: ... Enciclopedia termenilor, definițiilor și explicațiilor materialelor de construcție

efectul termic al unei reacții chimice - efectul termic al unei reacții chimice; efect termic Suma căldurii absorbite de sistem și a tuturor tipurilor de lucrări efectuate asupra acestuia, cu excepția lucrărilor de presiune externă, iar toate cantitățile sunt raportate la aceleași temperaturi inițiale și finale ...

efect termic - reactie chimica; efect termic Suma căldurii absorbite de sistem și a tuturor tipurilor de lucrări efectuate asupra acestuia, cu excepția lucrărilor de presiune externă, și toate cantitățile sunt raportate la aceeași temperatură a stărilor inițiale și finale ale sistemului ... Dicționar explicativ terminologic politehnic

EFECTUL TERMIC AL REACȚIEI - cantitatea de căldură degajată sau absorbită de sistem în timpul unei reacții chimice. Efectul termic al muncii este egal cu o modificare a energiei interne a sistemului la un volum constant sau o modificare a entalpiei sale la o presiune constantă și absența muncii externe ... Dicționar enciclopedic mare

efectul termic al reacției - cantitatea de căldură degajată sau absorbită de sistem în timpul unei reacții chimice. Efectul de căldură al reacției este egal cu o modificare a energiei interne a sistemului la un volum constant sau o modificare a entalpiei sale la o presiune constantă și fără funcționare ... ... dicționar enciclopedic

efectul termic al reacției - cantitatea de căldură degajată sau absorbită într-un sistem termodinamic în timpul unei reacții chimice, cu condiția ca sistemul să nu efectueze lucrări, cu excepția lucrărilor împotriva presiunii externe și a temperaturii ... Dicționar enciclopedic de metalurgie

Efectul de căldură al reacției - suma algebrică a căldurii absorbite într-o anumită reacție chimică (vezi Reacții chimice) și lucrarea externă perfectă minus lucrarea împotriva presiunii externe. Dacă în timpul reacției se eliberează căldură sau se lucrează de către sistem ... Marea Enciclopedie Sovietică

efect termic izobaric - Efectul termic al unei reacții chimice la presiune constantă ... Dicționar explicativ terminologic politehnic

efect termic izocoric - Efectul termic al unei reacții chimice care se desfășoară la un volum constant ... Dicționar explicativ terminologic politehnic

Lucrări de laborator nr. 3

Efectul de căldură (entalpia) al unei reacții chimice

Scopul muncii: pe baza conceptelor termodinamice pentru a învăța să tragem o concluzie despre posibilitatea fundamentală și direcția proceselor chimice.

Scurtă introducere teoretică.

Termodinamica chimică, ca ramură a termodinamicii generale, studiază tranzițiile unor forme de energie în alte forme care au loc în reacțiile chimice, procesele de dizolvare și cristalizare, procesele electrodului și o serie de alte interacțiuni sau, în general, în sistemele chimice (o sistemul chimic este înțeles ca o parte a spațiului selectată în mod arbitrar, cu substanțele ei care reacționează închise).

Termodinamica chimică, ca și termodinamica generală, se bazează în principal pe două legi.

Conform primei legi a termodinamicii, pentru sistemele închise care au capacitatea de a schimba energie, căldura le-a fost transmisă Î cheltuit pentru creșterea energiei interne și pentru efectuarea muncii A împotriva forțelor externe:

Q este pozitiv dacă sistemul absoarbe energie.

Energia internă este o funcție a stării sistemului, determinată de parametrii de presiune p, volum V, temperatura T etc., este determinat de diferență
, și nu depinde de calea procesului.

Căldura și munca nu caracterizează o stare, ci un proces și, prin urmare, nu pot fi considerate ca tipuri de energie (aceasta este o modalitate de a transfera energie), ele depind de calea schimbării stării.

Lucrarea este efectuată de sistem atunci când volumul se schimbă V 1 inainte de V 2 , este egal cu:

A =
.

Dacă reacția se desfășoară la un volum constant (proces izocoric), atunci activitatea extinderii sistemului ( A \u003dp*
) este egal cu zero. Dacă în același timp nu se efectuează alte tipuri de muncă (de exemplu, electrice), atunci

unde este cantitatea de căldură absorbită de sistem la volum constant.

Reacțiile chimice sunt cel mai adesea efectuate nu la volum constant, ci la presiune constantă p (
\u003d 0, proces izobaric). Pentru aceste condiții, nicio funcție nu poate fi exclusă din ecuația primei legi a termodinamicii:

\u003d + p * \u003d + p (V 1 - V 2).

Extinzând parantezele, puteți scrie ecuația astfel:

\u003d (U 2 + pV 2) - (U 1 + pV 1).

Funcţie U + pV = H se va numi entalpie sau conținut energetic. Entalpia - o funcție de stare, caracterizează energia totală a sistemului în condiții de presiune și temperatură constante și reprezintă suma energiei interne și funcționează împotriva celor externe.

Astfel, căldura conferită sistemului la presiune constantă este utilizată pentru a-i crește entalpia.

Entalpia, la fel ca energia internă, este o funcție a stării, iar valoarea sa absolută nu poate fi determinată.

În termodinamică, efectul termic este considerat în raport cu sistemul reacționar în sine (sistemul de semne „egoist”). Semnul „-” este atribuit efectului termic al reacțiilor exoterme (sistemul emite căldură), iar semnul „+” (sistemul primește căldură) este atribuit efectului termic al reacției endoterme.

În multe scopuri practice, este important să cunoaștem efectul termic al reacției la presiune constantă, cel mai adesea la presiune atmosferică. În cele ce urmează, vom opera doar cu efectul termic la presiune constantă (schimbarea entalpiei).

\u003d const \u003d + p * \u003d; \u003d.

Conform legii lui Hess, efectul termic al reacției ( ) este egală cu diferența dintre sumele de călduri (entalpii) de formare ( arr) din produsele sale finale și inițiale.

În acest caz, trebuie luați în considerare coeficienții stoichiometrici ai ecuației de reacție:

unde n k și n H - numărul de alunițe pentru fiecare dintre produsele finale și inițiale;

arr – respectiv - căldurile lor (entalpia) de formare; - efectul termic total (entalpia).

Efectul termic corespunzător formării a 1 mol dintr-un compus din substanțe elementare care sunt stabile în condiții standard se numește termic standard (entalpia) de formare a acestui compus. Căldurile de formare a substanțelor elementare (H 2, O 2, N 2, C (grafit), Cl 2 etc.) în condiții standard (P \u003d 1013 Pa, T \u003d 298 K) sunt considerate convenționale ca fiind zero. Căldurile standard (entalpii) de formare sunt date în cărțile de referință.

Conform legii lui Lomonosov privind conservarea masei și a energiei, în timpul formării unui compus chimic, o astfel de cantitate de căldură este absorbită sau eliberată pe măsură ce este eliberată sau absorbită în timpul descompunerii sale în componentele sale originale.

Legile termochimiei sunt folosite pentru a calcula efectele termice ale reacțiilor sau căldurile de formare a compușilor care nu pot fi determinați experimental.

Ecuațiile termochimice indică starea de agregare și modificare a unei substanțe, dacă aceeași substanță poate exista în mai multe modificări cristaline diferite.

Forța motrice și direcția reacțiilor chimice. Pe baza studiului efectelor termice ale reacțiilor chimice, a fost formulat principiul Berthelot (1867), care afirmă că efectul termic al reacțiilor chimice servește ca o măsură a afinității chimice, că numai astfel de procese care sunt însoțite de eliberarea de căldură spontan apare ( ), adică procese exoterme.

Acest principiu este respectat des, dar nu întotdeauna; sunt posibile cazuri de reacții endotermice spontane. Acest lucru se datorează faptului că, pe lângă principiul energiei minime ( 0), principiul tulburării maxime (
\u003e 0). S - entropie care caracterizează stările posibile ale materiei și schimbările lor continue. Cu cât este mai mare numărul de microstate separate în continuă schimbare, cu atât este mai mare tulburarea în starea sa generală.

S gaz\u003e S lichid\u003e S solid

Entropia crește odată cu trecerea unei substanțe de la o stare cristalină la un lichid și de la un lichid la o stare gazoasă, odată cu expansiunea gazelor, cu interacțiuni chimice care duc la creșterea numărului de particule. Dimpotrivă, toate procesele în urma cărora crește ordonarea sistemului (condensare, polimerizare, comprimare, scăderea numărului de particule) este însoțită de o scădere a entropiei. Entropia este exprimată în unități legate de produsul temperaturii și cantității de materie (J / mol K).

Entropia, la fel ca entalpia, este o funcție a stării sistemului. Pentru a obține date comparabile, sunt comparate măsurătorile standard ale entropiei
.

Modificarea entropiei sistemului () ca rezultat al unei reacții chimice este egală cu suma entropiilor produselor de reacție minus suma entropiilor substanțelor inițiale, luând în considerare numărul de moli care participă la reacţie:

=
.

Spre deosebire de entalpia de formare, entropia unei substanțe simple, chiar și în stare cristalină, nu este zero.

Într-un sistem izolat, procesele spontane merg spre o creștere a entropiei\u003e 0. În cazul în care un

Astfel, în sistemele chimice (sau fizice), două tendințe concurente funcționează simultan: principiul energiei minime (principiul Berthelot) și principiul tulburării maxime (entropia maximă).

Agentul chimic sau forța motrice a reacției este determinată de energia liberă, adică acea parte din conținutul total de căldură care poate fi utilizat pentru a face o muncă maximă. Se determină la valori constante R și T și se numește energia Gibbs și, în condiții standard, energia standard Gibbs, denotând
și
, mai precis, prin schimbarea energiei Gibbs. Termeni sinonimi: potențial izobaric-izoterm (izobaric), entalpie liberă.

Energia Gibbs este legată de entropie prin raportul G \u003d H - T *, unde T este temperatura absolută. Pentru procesele izobarice-izoterme, schimbarea energiei Gibbs este:

= -T *.

Valoarea depinde nu numai de natura substanțelor care reacționează, ci și de starea de agregare și condiții. Pentru a obține date comparabile care caracterizează diferite reacții, se compară modificările standard ale energiei Gibbs:

Energia de formare Gibbs este legată de 1 mol din substanță, exprimată în kJ / mol; în acest caz, formarea unei substanțe simple este considerată zero.

Schimbarea energiei Gibbs poate fi, de asemenea, scrisă după cum urmează:

Primul termen al acestei expresii reprezintă factorul de entalpie, iar al doilea, factorul de entropie. Primul reflectă tendința sistemului de a forma legături ca urmare a atracției reciproce a particulelor - molecule sau atomi, ceea ce duce la complicația lor, iar al doilea reflectă tendința de a spori procesul de disociere a particulelor complexe în mai simplu și mai puțin state ordonate. Ambii factori acționează în direcții opuse, iar direcția generală a reacției este determinată de influența factorului predominant.

La valori constante Rși T apar spontan doar acele reacții, ale căror potențiale izobarice sunt reacții negative, cu atât forța sa motrice este mai mare. În cursul reacției, aceasta crește și se stabilește echilibru la \u003d 0 în sistem. Dacă\u003e 0, atunci reacția nu poate continua fără cheltuirea energiei din exterior, iar această inegalitate indică posibilitatea fundamentală a reacției în condițiile date ( R și T), și sub inegalitate
reacția nu este fezabilă în nicio condiție.

Astfel, - forța motrice a procesului, este adevăratul criteriu al posibilității procesului.

Dacă reacțiile se desfășoară la temperaturi scăzute și fără participarea substanțelor gazoase, atunci T *
și , adică schimbarea entalpiei poate servi drept criteriu pentru reacție (principiul Berthelot funcționează). În alte cazuri, este necesar să se calculeze schimbarea energiei Gibbs.

Finalizarea lucrării.

Determinarea efectului de căldură (entalpia) a reacției de neutralizare

HCI + NaOH \u003d NaCl + H20

Comparați valoarea măsurată cu teoretic și calculați eroarea relativă de măsurare, scrieți ecuația termodinamică a reacției de neutralizare.

Echipament de laborator.

Calorimetrul include un pahar interior în care se efectuează reacția, un pahar extern, o garnitură termoizolantă, un capac cu găuri pentru un termometru și o pâlnie. O balanță de laborator este utilizată pentru a măsura masa reactanților, iar cilindrii volumetrici sunt utilizați pentru măsurarea volumelor. Pentru a amesteca soluțiile se folosește un agitator magnetic.

Materiale și reactivi: Soluții de HCI și NaOH.

Progres.

Se cântărește paharul interior al calorimetrului (m 1), coboară agitatorul în el și cântărește paharul interior cu agitator (m 2). Se toarnă 45 ml alcalin cu concentrația adecvată (1N sau 2N) într-un pahar. Se cântărește paharul cu volumul de alcali (m 3). Asamblați unitatea calorimetrică. Porniți agitatorul magnetic. Efectuați o perioadă de reacție preliminară, înregistrând schimbarea temperaturii după 1 minut timp de 5 minute. Introduceți printr-o pâlnie 40 ml dintr-o soluție acidă cu aceeași concentrație ca alcalinul. Înregistrați temperatura în timpul perioadei principale de reacție. Continuați înregistrarea temperaturii pentru încă 5 minute din perioada finală de reacție.

Rezultatele experimentului sunt prezentate sub forma a două tabele.

Tabelul 2.1 Rezultatele măsurării masei

Tabelul 2.2 Rezultatele măsurătorilor de temperatură în timpul reacției

Timp de la începutul experienței	Perioada preliminară					Perioada principală				Perioada finală
	0,0	1,0	2,0	3,0	4,0	4,25	4,5	4,75	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0	10
Temperatura, о С	19,6	19,75	19,8	19,81	19,83	23,6	26,8	28,8	31,6	31,4	31,1	31	30,8	30,6

Soluție practică

1. Capacitatea termică a sistemului calorimetric este calculată prin formula aproximativă:

C până la \u003d C sticlă + soluție C + termometru C + agitator C.

Neglijați capacitatea de căldură a termometrului și determinați capacitatea de căldură a părților rămase prin formule:

Din sticlă \u003d Din sticlă m 1 \u003d 0,2 cal / g despre DIN * 48,80 g \u003d 9,76 fecale / despre DIN \u003d 9,76 10 -3 kcal / o C,

unde sticla C \u003d 0,2 cal / g aproximativ C;

Din soluție \u003d Din soluție m p \u003d 1.0 cal / g despre DIN * 92,29 g \u003d 92,29 fecale / despre DIN\u003d 92,29 10 -3 kcal / o C,

unde soluția C \u003d 1,0 cal / g o C; nedistorsionată de schimbul de căldură care are loc în perioada principală, trebuie să continuați AB și CD până când se intersectează cu linia verticală E. Pentru aceasta, punctele v și n corespunzătoare perioadei, grafic pe axa ordonatelor. Trageți linia KP prin mijlocul segmentului mn. Intersecția acestei linii cu curba BC dă punctul l, care determină poziția dreptei E. Segmentul E și va fi egal cu kcal / mol,

unde C to este temperatura tuturor părților sistemului calorimetric, cal / o C,

- schimbarea temperaturii în timpul reacției, о С,

C la - cantitatea de căldură degajată în timpul reacției, fecale,

K este numărul de moli de echivalenți de acid într-un volum dat.

5. Calculul erorii experimentale.

Eroarea relativă este determinată de formula:

E \u003d
=
= 22,6 % ,

unde
- valoarea determinată experimental a entalpiei de reacție;
- valoarea teoretică a entalpiei reacției de neutralizare a unui acid puternic cu o bază puternică. Neutralizarea echivalenților molari ai oricărui acid puternic cu o bază puternică în soluții diluate este întotdeauna însoțită de același efect exotermic egal cu 13,70 kcal / mol. Acest fapt este teoria disocierii electrolitice prin aceea că reacția de neutralizare este redusă la formarea unui mol de apă:

Acestea.
.

Principalul factor care determină acuratețea rezultatului va fi eroarea de determinare, deoarece erorile de cântărire nu depășesc sutimi de procent.

Ieșire

Efectuând această lucrare de laborator, am învățat ce sunt entalpia și entropia, am învățat să determin empiric efectul termic (entalpia) unei reacții de neutralizare. Am ajuns să fie -16,8 kcal / mol

22,6 % , comparativ cu valoarea teoretică, ele sunt oarecum diferite, deoarece s-au făcut erori în calcule și în executarea directă a lucrării.

Efectul termic al unei reacții chimice sau o modificare a entalpiei unui sistem datorită apariției unei reacții chimice este cantitatea de căldură, referită la schimbarea unei variabile chimice, primită de sistemul în care a avut loc reacția chimică iar produsele de reacție au luat temperatura reactivilor.

Pentru ca efectul termic să fie o valoare care depinde doar de natura reacției chimice în curs, trebuie îndeplinite următoarele condiții:

· Reacția trebuie să se desfășoare fie la un volum constant Q v (proces izocoric), fie la o presiune constantă Q p (proces izobaric).

· Nu se efectuează nicio lucrare în sistem, cu excepția posibilelor lucrări de extindere la P \u003d const.

Dacă reacția se desfășoară în condiții standard la T \u003d 298,15 K \u003d 25 ˚C și P \u003d 1 atm \u003d 101325 Pa, efectul de căldură se numește căldura standard a reacției sau entalpia standard a reacției ΔH r O. În termochimie, căldura standard a reacției este calculată folosind entalpii standard de formare.

Entalpia standard de formare (căldură standard de formare)

De exemplu, entalpia standard de formare a 1 mol de metan din carbon și hidrogen este egală cu efectul termic al reacției:

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

Entalpia standard de formare este notată cu ΔH f O. Aici indicele f înseamnă formare, iar cercul tăiat, care amintește de un disc Plimsol, înseamnă că valoarea se referă la starea standard a materiei. În literatură, se găsește adesea o altă denumire pentru entalpia standard - ΔH 298.15 0, unde 0 indică egalitatea presiunii unei atmosfere (sau, mai precis, la condițiile standard), iar 298.15 este temperatura. Uneori indicele 0 este utilizat pentru valorile legate de o substanță pură, stipulând că este posibil să le desemnăm ca valori termodinamice standard numai atunci când substanța pură este aleasă ca stare standard. De exemplu, starea unei substanțe într-o soluție extrem de diluată poate fi acceptată și ca standard. „Discul Plimsol” în acest caz înseamnă starea standard reală a substanței, indiferent de alegerea sa.

Entalpia de formare a substanțelor simple este considerată zero, iar valoarea zero a entalpiei de formare se referă la starea de agregare stabilă la T \u003d 298 K. De exemplu, pentru iod în stare cristalină, ΔH I2 (tv) 0 \u003d 0 kJ / mol, iar pentru iod lichid, ΔH I2 (g) 0 \u003d 22 kJ / mol. Entalpiile de formare a substanțelor simple în condiții standard sunt principalele lor caracteristici energetice.

ReactionsH reacții O \u003d ΣΔH f O (produse) - ΣΔH f O (reactivi)

Dependența de temperatură a efectului de căldură (entalpia) reacției

Entalpia standard de ardere este ΔH gor, efectul termic al reacției de ardere a unui mol de substanță în oxigen pentru a forma oxizi în cea mai înaltă stare de oxidare. Căldura de ardere a substanțelor necombustibile este considerată zero.

Entalpia standard de dizolvare este soluția ΔH, efectul termic al procesului de dizolvare a 1 mol dintr-o substanță într-o cantitate infinit de mare de solvent. Acesta constă în căldura de distrugere a rețelei cristaline și căldura de hidratare (sau căldura de solvație pentru soluțiile neapoase) eliberate ca rezultat al interacțiunii moleculelor de solvent cu moleculele sau ionii solutului pentru a forma compuși variabili. compoziție - hidrați (solvați). Distrugerea rețelei cristaline, de regulă, este un proces endoterm - resH res\u003e 0, iar hidratarea ionilor este exotermă, ΔH hidr< 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 solKOH o \u003d ΔH res o + ΔH hydrK + o + ΔH hydrOH −o \u003d −59 KJ / mol

Entalpia de hidratare - ΔH hidr, se înțelege că înseamnă căldura care este eliberată în timpul tranziției a 1 mol de ioni de la vid la soluție.

Entalpia standard de neutralizare este ΔH neutru despre entalpia reacției de interacțiune a acizilor și bazelor puternice cu formarea a 1 mol de apă în condiții standard:

HCI + NaOH \u003d NaCl + H20

H + + OH - \u003d H20, ΔH neutru ° \u003d -55,9 kJ / mol

Entalpia standard de neutralizare pentru soluțiile concentrate de electroliți puternici depinde de concentrația ionilor, datorită modificării valorii ΔH de hidratare ° a ionilor la diluare

Entalpia este o proprietate a unei substanțe care indică cantitatea de energie care poate fi transformată în căldură.

Entalpia este o proprietate termodinamică a unei substanțe care indică nivelul de energie stocată în structura sa moleculară. Aceasta înseamnă că, deși materia poate avea energie bazată pe temperatură și presiune, nu toate acestea pot fi transformate în căldură. O parte din energia internă rămâne întotdeauna în substanță și își menține structura moleculară. O parte din energia cinetică a unei substanțe nu este disponibilă atunci când temperatura sa se apropie de temperatura ambiantă. Prin urmare, entalpia este cantitatea de energie disponibilă pentru a fi transformată în căldură la o anumită temperatură și presiune. Unitățile de entalpie sunt unități termice britanice sau joule pentru energie și Btu / lbm sau J / kg pentru energie specifică.

Suma de entalpie

Cantitatea de entalpie a unei substanțe se bazează pe temperatura dată. Această temperatură este valoarea aleasă de oamenii de știință și ingineri ca bază pentru calcule. Aceasta este temperatura la care entalpia unei substanțe este zero J. Cu alte cuvinte, o substanță nu are energie disponibilă care poate fi transformată în căldură. Această temperatură este diferită pentru diferite substanțe. De exemplu, această temperatură a apei este un punct triplu (O ° C), azot -150 ° C și agenți frigorifici pe bază de metan și etan -40 ° C.

Dacă temperatura unei substanțe este mai mare decât temperatura dată sau se schimbă într-o stare gazoasă la o anumită temperatură, entalpia este exprimată ca număr pozitiv. În schimb, la temperaturi sub aceasta, entalpia substanței este exprimată ca număr negativ. Entalpia este utilizată în calcule pentru a determina diferența de niveluri de energie între două stări. Acest lucru este necesar pentru a configura echipamente și pentru a determina eficiența procesului.

Entalpia este adesea definită ca energia totală a unei substanțe, deoarece este egală cu suma energiei sale interne într-o stare dată, împreună cu capacitatea sa de a lucra (pv). Dar, în realitate, entalpia nu indică energia totală a unei substanțe la o temperatură dată peste zero absolut (-273 ° C). Prin urmare, în loc să definiți entalpia ca căldura totală a unei substanțe, este mai precis să o definiți ca fiind cantitatea totală de energie disponibilă a unei substanțe care poate fi transformată în căldură.
H \u003d U + pV

LEGEA HESSA: efect termic al substanței chimice. p-țiunea depinde doar de stările inițiale și finale ale sistemului și nu depinde de intervalul său. stări. G. z. este o expresie a legii conservării energiei pentru sistemele în care chim. p-tion și o consecință a primei legi a termodinamicii, dar a fost formulată mai devreme decât prima lege. Este valabil pentru p-iuni, care curg la volum constant sau la presiune constantă; pentru prima, efectul termic este egal cu modificarea int. energia sistemului datorată substanțelor chimice. p-tion, pentru a doua, schimbarea entalpiei. Pentru a calcula efectele termice ale raioanelor, incl. practic irealizabile, constituie un sistem termochimic. ur-niy, to-rye reprezintă raioanele ur-niya, înregistrate împreună cu efectele termice corespunzătoare pentru un anumit t-re. În același timp, este important să se indice starea de agregare a substanțelor care reacționează, deoarece amploarea efectului de căldură al districtului depinde de acesta.

Sistem termochimic. ur-niy poate fi rezolvat prin operarea f-lami in-in, care se află în stări identice, ca membrii obișnuiți ai matului. ur-ny.

I. Arderea și oxidarea lentă

Arderea este prima reacție chimică pe care oamenii au întâlnit-o. Foc ... Îți poți imagina existența fără foc? El a intrat în viața noastră, a devenit inseparabil de ea. Fără foc, o persoană nu va găti mâncare, oțel, fără ea, traficul este imposibil. Focul a devenit prietenul și aliatul nostru, un simbol al faptelor glorioase, faptelor bune, o amintire a trecutului.

Memorialul Gloriei în Syktyvkar

Flacăra, focul, ca una dintre manifestările reacției de ardere, are propria sa reflecție monumentală. Un exemplu izbitor estememorial de glorie în Syktyvkar.

La fiecare patru ani are loc un eveniment în lume, însoțit de transferul focului „viu”. În semn de respect pentru fondatorii olimpiadelor, focul este livrat din Grecia. Prin tradiție, unul dintre sportivii remarcabili livrează această torță pe arena principală a Jocurilor Olimpice.

Există basme și legende despre foc. Pe vremuri, oamenii credeau că șopârlele mici - spiritele focului - trăiau în foc. Și au fost cei care au considerat focul o zeitate și au construit temple în cinstea lui. De sute de ani, lămpile dedicate zeului focului au ars în aceste temple fără să se stingă. Închinarea la foc a fost o consecință a ignoranței oamenilor cu privire la procesul de ardere.

Flacără olimpică

MV Lomonosov a spus: „Nu este nicidecum posibil să se întreprindă studiul naturii focului fără chimie”.

Combustie - reacția de oxidare care se desfășoară la o rată suficient de mare, însoțită de degajarea de căldură și lumină.

Schematic, acest proces de oxidare poate fi exprimat după cum urmează:

Se numesc reacții care continuă cu eliberarea căldurii exoterm (din grecescul "exo" - exterior).

În timpul arderii are loc o oxidare intensivă, în procesul de ardere apare focul, prin urmare, o astfel de oxidare se desfășoară foarte repede.În cazul în care un viteza de reacție este suficient de mare? Se poate produce o explozie. Așa explodează amestecurile de substanțe combustibile cu aerul sau oxigenul. Din păcate, există cazuri cunoscute de explozii de amestecuri de aer cu metan, hidrogen, vapori de benzină, eter, făină și praf de zahăr etc., ducând la distrugere și chiar la victime umane.

Pentru a avea loc arderea, aveți nevoie de:

substanță combustibilă
agent oxidant (oxigen)
incalzirea substanță inflamabilăla punctul de aprindere

Temperatura de aprindere este diferită pentru fiecare substanță.

În timp ce eterul poate fi aprins de un fir fierbinte, pentru a aprinde lemnul, trebuie să îl încălziți până la câteva sute de grade. Temperatura de aprindere a substanțelor este diferită. Sulful și lemnul se aprind la o temperatură de aproximativ 270 ° C, cărbunele la aproximativ 350 ° C și fosforul alb la aproximativ 40 ° C.

Cu toate acestea, nu toată oxidarea trebuie însoțită în mod necesar de apariția luminii.

Există un număr semnificativ de cazuri de oxidare pe care nu le putem numi procese de ardere, deoarece acestea procedează atât de încet încât rămân invizibile pentru simțurile noastre. Doar după ce a trecut un anumit timp, adesea foarte lung, putem prinde produsele oxidării. Acesta este, de exemplu, cazul oxidării foarte lente (ruginirii) metalelor

sau în timpul proceselor de descompunere.

Desigur, în timpul oxidării lente, căldura este eliberată, dar această eliberare, datorită duratei procesului, continuă lent. Cu toate acestea, dacă o bucată de lemn arde rapid sau suferă o oxidare lentă în aer de-a lungul mai multor ani, este totuși același - în ambele cazuri, se va elibera aceeași cantitate de căldură.

Oxidare lentă Este un proces de interacțiune lentă a substanțelor cu oxigenul cu eliberare lentă de căldură (energie).

Exemple de interacțiune a substanțelor cu oxigenul fără a emite lumină: putrezirea gunoiului de grajd, frunzelor, râncezirea uleiului, oxidarea metalelor (duzele de fier devin mai subțiri și mai mici odată cu utilizarea prelungită), respirația creaturilor aerobe, adică respirația de oxigen, este însoțită de eliberarea de căldură, formarea de dioxid de carbon si apa.

Să ne cunoaștem caracteristicile proceselor de ardere și oxidare lentă prezentate în tabel.

Caracterizarea proceselor de ardere și oxidare lentă

Semne de reacție	Proces
Semne de reacție	Combustie	Oxidare lentă
Formarea de noi substanțe	da (oxizi)	da (oxizi)
Eliberare de căldură	da	da
Rata de eliberare a căldurii	Mare	Mic (merge încet)
Apariția luminii	da	Nu

ÎN concluzie : Reacțiile de ardere și oxidare lentă sunt reacții exoterme caracterizate prin viteza acestor procese.

II. Efectul termic al unei reacții chimice.

Fiecare substanță are o anumită cantitate de energie stocată. Ne confruntăm cu această proprietate a substanțelor deja la micul dejun, prânz sau cină, deoarece produsele alimentare permit corpului nostru să utilizeze energia unei game largi de compuși chimici conținuți în alimente. În organism, această energie este transformată în mișcare, funcționează, merge pentru a menține o temperatură corporală constantă (și destul de ridicată!).

Orice reacție chimică este însoțită de eliberarea sau absorbția de energie. Cel mai adesea, energia este eliberată sau absorbită sub formă de căldură (mai rar sub formă de lumină sau energie mecanică). Această căldură poate fi măsurată. Rezultatul măsurătorii este exprimat în kilojuli (kJ) pentru un MOL al reactivului sau (mai puțin frecvent) pentru molul produsului de reacție. Se numește cantitatea de căldură degajată sau absorbită într-o reacție chimică efectul termic al reacției (Q). De exemplu, efectul termic al reacției de ardere a hidrogenului în oxigen poate fi exprimat prin oricare dintre două ecuații:

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

2 H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2 H 2 O (g) + Q

Această ecuație de reacție se numeșteecuație termochimică... Aici simbolul "+ Î" înseamnă că atunci când hidrogenul este ars, căldura este eliberată. Această căldură se numește efectul termic al reacției... În ecuațiile termochimice, stările de agregare sunt adesea indicate.

Reacțiile care decurg din eliberarea de energie se numesc EXOTERMALE(din latinescul „exo” - exterior). De exemplu, arderea metanului:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + Q

Reacțiile care au loc prin absorbția energiei se numesc ENDOTERMALE(din latinescul "endo" - spre interior). Un exemplu este formarea monoxidului de carbon (II) CO și a hidrogenului H 2 din cărbune și apă, care are loc numai la încălzire.

C + H 2 O \u003d CO + H 2 - Q

Efectele termice ale reacțiilor chimice sunt necesare pentru multe calcule tehnice.

Efectele termice ale reacțiilor chimice sunt necesare pentru multe calcule tehnice. Imaginați-vă pentru un moment ca proiectant al unei rachete puternice capabile să lanseze pe orbită nave spațiale și alte sarcini utile (Fig.).

Figura: Cea mai puternică rachetă rusească Energia din lume înainte de lansarea la cosmodromul Baikonur. Motoarele uneia dintre etapele sale rulează pe gaze lichefiate - hidrogen și oxigen.

Să presupunem că știți lucrarea (în kJ) care va trebui cheltuită pentru a livra o rachetă cu o încărcătură de pe suprafața Pământului pe orbită; știți și lucrarea pentru a depăși rezistența aerului și alte costuri energetice în timpul zborului. Cum se calculează aprovizionarea necesară cu hidrogen și oxigen, care (într-o stare lichefiată) sunt utilizate în această rachetă ca combustibil și oxidant?

Este dificil să faceți acest lucru fără ajutorul efectului termic al reacției de formare a apei din hidrogen și oxigen. La urma urmei, efectul termic este chiar energia care ar trebui să pună racheta pe orbită. În camerele de ardere ale rachetei, această căldură este transformată în energie cinetică a moleculelor gazului fierbinte (vapori), care scapă din duze și creează impulsul jetului.

În industria chimică, sunt necesare efecte termice pentru a calcula cantitatea de căldură pentru încălzirea reactoarelor în care au loc reacții endotermice. În domeniul energiei electrice, producția de căldură este calculată folosind căldurile de ardere a combustibilului.

Nutriționiștii folosesc efectele termice ale oxidării alimentelor în organism pentru a formula diete corecte nu numai pentru persoanele bolnave, ci și pentru persoanele sănătoase - sportivi, lucrători de diferite profesii. Prin tradiție, pentru calcule, acestea nu folosesc juli, ci alte unități de energie - calorii (1 cal \u003d 4.1868 J). Conținutul energetic al alimentelor este legat de orice masă de produse alimentare: la 1 g, la 100 g sau chiar la ambalajul standard al produsului. De exemplu, pe eticheta unei cutii de lapte condensat, puteți citi următoarea inscripție: „conținut caloric 320 kcal / 100 g”.

№2. Puzzle „Litere care nu se repetă”.

Pentru a rezolva acest puzzle, uitați-vă cu atenție la fiecare linie. Alegeți dintre ele repetând niciodată litere. Dacă o faci bine, vei putea să inventezi un proverb despre regulile de manipulare a focului din aceste scrisori.

ADICIONAL: