Лекция 1 Энергетика химических реакции. Определения теплоты нейтрализации

Калориметрия
Для измерения количества энергии, высвобождаемой или поглощаемой в результате химической реакции или физического превращения, используют специальные приборы – калориметры. Калориметры представляют собой теплоизолированные сосуды, в которых проводится та или иная реакция. Типичный калориметрический эксперимент состоит в том, что энергия, выделяемая в результате химического превращения, передается воде или самой реакционной смеси, послечего измеряется повышение (понижение) их температуры и проводится расчет теплового эффекта.
Теплотой нейтрализации называют количество теплоты, которое выделяется при взаимодействии 1 моль-эквивалента сильной кислоты с 1 моль-эквивалентом сильного основания.
Рассмотрим реакцию нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, например, нейтрализацию соляной кислоты гидроксидом натрия:
HCI +NaOH =NaCI +H₂O
Оба реагента в водном растворе полностью диссоциированы, поэтому уравнение реакции нейтрализации в ионной форме будет иметь вид:
H⁺ + CI^-+Na⁺ + OH^- = Na⁺ + CI^-+H₂O
H⁺ + OH^- = H₂O
Таким образом, в случае нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, независимо от природы аниона кислоты и катиона основания, протекает один и тот же процесс образования молекулы воды из водородных и гидроксильных ионов. Установлено, что реакция нейтрализации 1 моль сильной одноосновной кислоты сильным основанием в достаточно разбавленных водных растворах сопровождается одинаковым экзотермическим тепловым эффектом, который при 298 К равен -57.1 кДж/моль.


Термохимические уравнения
Раздел химии, изучающий тепловые эффекты химических реакций и фазовых превращений, называется термохимией. Уравнения процессов, в которых указаны тепловые эффекты, называются термохимическими, например:
(N₂) + 3(Н₂) = 2(NН₃), ΔH₂₉₈ = –92,38 кДж.
Чтобы отнести изменение энтальпии реакции к одному молю какого-либо вещества, термохимические уравнения иногда имеют дробные коэффициенты:
2[Al] + 3/2(O₂) = [Al₂O₃]; ΔH₂₉₈ = –1675,8 кДж.
В термохимических уравнениях указываются агрегатные состояния и модификации исходных веществ и продуктов реакции:
(СО₂) + [C(графит)] = 2(СО); ΔH298 = 172,47 кДж.
Термохимические расчеты основаны на законе Гесса:
тепловой эффект реакции при постоянных температуре и давлении зависит только от природы и состояния исходных и конечных веществ и не зависит от числа и характера промежуточных стадий. Иными словами, если химический процесс можно осуществить несколькими путями, то изменение энтальпии суммарного процесса будет равно сумме изменений энтальпий отдельных стадий:

Из закона Гесса следует, что термохимические уравнения можно складывать, вычитать, умножать на численные множители.

Пример 1. Вычислить теплоту образования СО, если известны тепловые эффекты реакций (см. вышеприведенную схему):
С(графит) + О₂ → СО₂, ΔH₂₉₈ = –393,5 кДж/моль,
Последнее уравнение получается, если из первого вычесть второе.
Следовательно, ΔH₂₉₈(2) = ΔH₂₉₈(1) – ΔH₂₉₈(3) = –110,5 кДж/моль.
Обычно в термохимических расчетах применяют 1-е следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (ΔH₂₉₈) равен сумме стандартных теплот образования (ΔH₂₉₈ ) продуктов реакции за вычетом суммы стандартных теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

где νi и νj – стехиометрические коэффициенты продуктов реакции и исходных веществ соответственно.