صيغة كيمياء التأثير الحراري. طرق حساب التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية عند درجات حرارة مختلفة

تدرس الكيمياء الحرارية التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية. في كثير من الحالات، تحدث هذه التفاعلات بحجم ثابت أو ضغط متواصل. ويترتب على القانون الأول للديناميكا الحرارية أنه في ظل هذه الظروف تكون الحرارة إحدى وظائف الحالة. عند حجم ثابت، الحرارة تساوي التغير في الطاقة الداخلية:

وعند ضغط ثابت - التغير في المحتوى الحراري:

تشكل هذه المساواة، عند تطبيقها على التفاعلات الكيميائية، الجوهر قانون هيس:

لا يعتمد التأثير الحراري للتفاعل الكيميائي الذي يحدث عند ضغط ثابت أو حجم ثابت على مسار التفاعل، ولكن يتم تحديده فقط من خلال حالة المواد المتفاعلة ومنتجات التفاعل.

وبعبارة أخرى، فإن التأثير الحراري للتفاعل الكيميائي يساوي التغير في وظيفة الحالة.
في الكيمياء الحرارية، على عكس التطبيقات الأخرى للديناميكا الحرارية، تعتبر الحرارة موجبة إذا تم إطلاقها بيئة، أي. لو ح < 0 или ش < 0. Под тепловым эффектом химической реакции понимают значение ح(والذي يسمى ببساطة "المحتوى الحراري للتفاعل") أو شتفاعلات.

إذا حدث التفاعل في المحلول أو في الطور الصلب، حيث يكون التغير في الحجم ضئيلًا، إذن

ح = ش + (الكهروضوئية) ش. (3.3)

إذا شاركت الغازات المثالية في التفاعل، فعند درجة حرارة ثابتة

ح = ش + (الكهروضوئية) = ش+ن. ر.ت, (3.4)

حيث n هو التغير في عدد مولات الغازات في التفاعل.

من أجل تسهيل المقارنة بين المحتوى الحراري للتفاعلات المختلفة، يتم استخدام مفهوم "الحالة القياسية". الدولة القياسية هي الدولة مادة نقيةعند ضغط 1 بار (= 10 5 باسكال) ودرجة حرارة معينة. بالنسبة للغازات، هذه حالة افتراضية عند ضغط 1 بار، ولها خصائص الغاز المخلخل بلا حدود. المحتوى الحراري للتفاعل بين المواد في الحالات القياسية عند درجة الحرارة ت، تدل على ( صيعني "رد فعل"). لا تشير المعادلات الكيميائية الحرارية إلى صيغ المواد فحسب، بل تشير أيضًا إلى حالاتها الإجمالية أو تعديلاتها البلورية.

يتبع قانون هيس عواقب مهمة، مما يجعل من الممكن حساب المحتوى الحراري للتفاعلات الكيميائية.

النتيجة الطبيعية 1.

يساوي الفرق بين المحتوى الحراري القياسي لتشكيل منتجات التفاعل والكواشف (مع مراعاة المعاملات المتكافئة):

المحتوى الحراري القياسي (الحرارة) لتكوين المادة (Fيعني "التكوين") عند درجة حرارة معينة هو المحتوى الحراري لتفاعل تكوين مول واحد من هذه المادة من العناصر، والتي هي في الحالة القياسية الأكثر استقرارا. ووفقا لهذا التعريف، فإن المحتوى الحراري لتكوين المواد البسيطة الأكثر استقرارا في الحالة القياسية هو 0 عند أي درجة حرارة. يتم ذكر المحتوى الحراري القياسي لتكوين المواد عند درجة حرارة 298 كلفن في الكتب المرجعية.

يتم استخدام مفهوم "المحتوى الحراري للتكوين" ليس فقط للمواد العادية، ولكن أيضًا للأيونات في المحلول. في هذه الحالة، يتم أخذ أيون H + كنقطة مرجعية، حيث يفترض أن المحتوى الحراري القياسي للتكوين في محلول مائي هو صفر:

النتيجة الطبيعية 2. المحتوى الحراري القياسي للتفاعل الكيميائي

يساوي الفرق بين المحتوى الحراري لاحتراق المواد المتفاعلة ومنتجات التفاعل (مع مراعاة المعاملات المتكافئة):

(جيعني "الاحتراق"). المحتوى الحراري القياسي (الحرارة) لاحتراق مادة ما هو المحتوى الحراري لتفاعل الأكسدة الكاملة لمول واحد من المادة. وعادة ما تستخدم هذه النتيجة لحساب التأثيرات الحرارية للتفاعلات العضوية.

النتيجة الطبيعية 3. المحتوى الحراري للتفاعل الكيميائي يساوي الفرق في طاقات الروابط الكيميائية المكسورة وتلك المتكونة.

طاقة الاتصالات يسمي A-B الطاقة اللازمة لكسر الرابطة وفصل الجزيئات الناتجة على مسافة لا نهائية:

أ ب (ز) أ (ز) + ب (ز) .

طاقة التواصل دائما إيجابية.

معظم البيانات الكيميائية الحرارية الموجودة في الكتب المرجعية مذكورة عند درجة حرارة 298 كلفن. ولحساب التأثيرات الحرارية عند درجات حرارة أخرى، استخدم معادلة كيرشوف:

(الشكل التفاضلي) (3.7)

(شكل متكامل) (3.8)

أين ج ص- الفرق بين السعات الحرارية المتساوية الضغط لنواتج التفاعل والمواد البادئة. إذا كان الفرق ت 2 - ت 1 صغير، ثم يمكنك قبوله ج ص= ثابت. للاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة فمن الضروري استخدامها اعتماد درجات الحرارة ج ص(ت) يكتب:

أين هي المعاملات أ, ب, جإلخ. بالنسبة للمواد الفردية فهي مأخوذة من الكتاب المرجعي، والعلامة تشير إلى الفرق بين المنتجات والكواشف (مع مراعاة المعاملات).

أمثلة

مثال 3-1.المحتوى الحراري القياسي لتكوين الماء السائل والغازي عند 298 كلفن هو -285.8 و-241.8 كيلوجول/مول، على التوالي. احسب المحتوى الحراري لتبخر الماء عند درجة الحرارة هذه.

حل. إنثالبي التكوين تتوافق مع التفاعلات التالية:

ح 2 (ز) + SO 2 (ز) = ح 2 يا (ل)، ح 1 0 = -285.8;

ح 2 (ز) + SO 2 (ز) = ح 2 يا (ز)، ح 2 0 = -241.8.

التفاعل الثاني يمكن أن يتم على مرحلتين: أولا، حرق الهيدروجين لتكوين ماء سائل حسب التفاعل الأول، ومن ثم تبخر الماء:

ح 2 يا (ل) = ح 2 يا (ز)، ح 0 مزود الخدمة = ؟

ثم، وفقا لقانون هيس،

ح 1 0 + ح 0 مزود الخدمة = ح 2 0 ,

أين ح 0 ISP = -241.8 - (-285.8) = 44.0 كيلوجول/مول.

إجابة. 44.0 كيلوجول/مول.

مثال 3-2.حساب المحتوى الحراري للتفاعل

6C (جم) + 6H (جم) = C 6 H 6 (جم)

أ) بواسطة المحتوى الحراري للتكوين؛ ب) عن طريق طاقات الارتباط، على افتراض أن الروابط المزدوجة في جزيء C6H6 ثابتة.

حل. أ) تم العثور على المحتوى الحراري للتكوين (بالكيلوجول/مول) في الكتاب المرجعي (على سبيل المثال، P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5th edition, pp. C9-C15): و ح 0 (ج 6 ح 6 (ز)) = 82.93، و ح 0 (ج (ز)) = 716.68، و ح 0 (ح (ز)) = 217.97. إنثالبي التفاعل هو :

ص ح 0 = 82.93 - 6,716.68 - 6,217.97 = -5525 كيلوجول/مول.

ب) في رد الفعل هذا الروابط الكيميائيةلا تنكسر، بل تشكل فقط. في تقريب الروابط المزدوجة الثابتة، يحتوي جزيء C 6 H 6 على 6 روابط C-H، و3 روابط CC، و3 روابط C=C. طاقات السندات (بالكيلوجول/مول) (P.W.Atkins، الكيمياء الفيزيائية، الطبعة الخامسة، ص. C7): ه(ج-ح) = 412، ه(ج-ج) = 348، ه(C=C) = 612. المحتوى الحراري للتفاعل هو:

ص ح 0 = -(6,412 + 3,348 + 3,612) = -5352 كيلوجول/مول.

الفرق مع النتيجة الدقيقة -5525 كيلوجول/مول يرجع إلى حقيقة أنه في جزيء البنزين لا توجد روابط CC مفردة وروابط C=C مزدوجة، ولكن هناك 6 روابط CC عطرية.

إجابة. أ) -5525 كيلوجول/مول؛ ب) -5352 كيلوجول/مول.

مثال 3-3.باستخدام البيانات المرجعية، احسب المحتوى الحراري للتفاعل

3Cu (تلفزيون) + 8HNO 3(aq) = 3Cu(NO 3) 2(aq) + 2NO (g) + 4H2O (l)

حل. المعادلة الأيونية المختصرة للتفاعل هي:

3Cu (s) + 8H + (aq) + 2NO 3 - (aq) = 3Cu 2+ (aq) + 2NO (g) + 4H2O (l).

وفقًا لقانون هيس، فإن المحتوى الحراري للتفاعل يساوي:

ص ح 0 = 4و ح 0 (ح 2 يا (ل)) + 2 و ح 0 (NO (ز)) + 3 و ح 0 (النحاس 2+ (أق)) - 2 و ح 0 (رقم 3 - (أ))

(إنثالبي تكوين النحاس وأيون H + متساويان بحكم التعريف 0). بالتعويض عن قيم المحتوى الحراري للتكوين (P.W.Atkins، الكيمياء الفيزيائية، الطبعة الخامسة، ص. C9-C15)، نجد:

ص ح 0 = 4 (-285.8) + 290.25 + 364.77 - 2 (-205.0) = -358.4 كيلوجول

(على أساس ثلاثة مولات من النحاس).

إجابة. -358.4 كيلوجول.

مثال 3-4.احسب المحتوى الحراري لاحتراق الميثان عند درجة حرارة 1000 كلفن، إذا أعطيت المحتوى الحراري للتكوين عند درجة حرارة 298 كلفن: و ح 0 (CH 4) = -17.9 سعرة حرارية/مول، و ح 0 (CO 2) = -94.1 سعرة حرارية/مول، و ح 0 (H 2 O (g)) = -57.8 سعرة حرارية/مول. السعات الحرارية للغازات (بالسعر/(مول. ك)) في المدى من 298 إلى 1000 كلفن تساوي:

ج ع (CH 4) = 3.422 + 0.0178. ت, ج ص(O2) = 6.095 + 0.0033. ت,

ج ع (CO 2) = 6.396 + 0.0102. ت, ج ص(H2O(g)) = 7.188 + 0.0024. ت.

حل. المحتوى الحراري لتفاعل احتراق الميثان

CH 4 (جم) + 2O2 (جم) = CO 2 (جم) + 2H2O (جم)

عند 298 ك يساوي:

94.1 + 2 (-57.8) - (-17.9) = -191.8 سعرة حرارية/مول.

دعونا نوجد الفرق في السعات الحرارية كدالة لدرجة الحرارة:

ج ص = ج ص(ثاني أكسيد الكربون) + 2 ج ص(ح 2 يا (ز)) - ج ص(الفصل 4) - 2 ج ص(O2) =
= 5.16 - 0.0094ت(كال / (مول ك)).

يتم حساب المحتوى الحراري للتفاعل عند 1000 كلفن باستخدام معادلة كيرشوف:

= + = -191800 + 5.16
(1000-298) - 0.0094 (1000 2 -298 2)/2 = -192500 كالوري/مول.

إجابة. -192.5 سعرة حرارية/مول.

مهام

3-1. ما هي كمية الحرارة المطلوبة لنقل 500 جرام من Al (mp 658 o C, ح 0 رر = 92.4 كالوري/جم)، مأخوذة في درجة حرارة الغرفة، في حالة منصهرة، إذا ج ص(التليفزيون) = 0.183 + 1.096 10 -4 تكال / (ز ك)؟

3-2. المحتوى الحراري القياسي للتفاعل CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (g) الذي يحدث في وعاء مفتوح عند درجة حرارة 1000 كلفن هو 169 كيلوجول/مول. ما حرارة هذا التفاعل الذي يحدث عند نفس درجة الحرارة، ولكن في وعاء مغلق؟

3-3. احسب الطاقة الداخلية القياسية لتكوين البنزين السائل عند درجة حرارة 298 K إذا كان المحتوى الحراري القياسي لتكوينه 49.0 kJ/mol.

3-4. احسب المحتوى الحراري لتكوين N 2 O 5 (g) عند ت= 298 كيلو بناءً على البيانات التالية:

2NO(ز) + O 2 (ز) = 2NO 2 (ز)، ح 1 0 = -114.2 كيلوجول/مول،

4NO 2 (ز) + O 2 (ز) = 2N 2 O 5 (ز)، ح 2 0 = -110.2 كيلوجول/مول،

N 2 (ز) + O 2 (ز) = 2NO (ز)، ح 3 0 = 182.6 كيلوجول/مول.

3-5. إنثالبي احتراق الجلوكوز والفركتوز والسكروز عند 25 درجة مئوية يساوي -2802،
-2810 و-5644 كيلوجول/مول، على التوالي. احسب حرارة التحلل المائي للسكروز.

3-6. حدد المحتوى الحراري لتكوين ثنائي البوران B 2 H 6 (g) عند ت= 298 كيلو من البيانات التالية:

ب 2 ح 6 (ز) + 3س 2 (ز) = ب 2 س 3 (تف) + 3 ح 2 يا (ز)، ح 1 0 = -2035.6 كيلوجول/مول،

2B(تلفزيون) + 3/2 O 2 (ز) = B 2 O 3 (تلفزيون)، ح 2 0 = -1273.5 كيلوجول/مول،

ح 2 (ز) + 1/2 يا 2 (ز) = ح 2 يا (ز)، ح 3 0 = -241.8 كيلوجول/مول.

3-7. احسب حرارة تكوين كبريتات الزنك من مواد بسيطة عند ت= 298 كيلو بناءً على البيانات التالية.

تعتمد جميع طرق حساب التأثيرات الحرارية على معادلة كيرشوف في شكل متكامل.

في أغلب الأحيان، يتم استخدام المعيار 298.15K كدرجة الحرارة الأولى.

تتلخص جميع طرق حساب التأثيرات الحرارية في طرق أخذ تكامل الجانب الأيمن من المعادلة.

طرق أخذ التكامل:

I. على أساس متوسط القدرات الحرارية. هذه الطريقةهو الأبسط والأقل دقة. في هذه الحالة، يتم استبدال التعبير الموجود تحت علامة التكامل بالتغير في متوسط السعة الحرارية، والذي لا يعتمد على درجة الحرارة في النطاق المحدد.

يتم جدولة وقياس متوسط السعات الحرارية لمعظم التفاعلات. من السهل حسابها باستخدام البيانات المرجعية.

ثانيا. وفقا لقدرات الحرارة الحقيقية. (باستخدام سلسلة درجة الحرارة)

في هذه الطريقة، يتم كتابة تكامل السعة الحرارية كسلسلة درجات الحرارة:

ثالثا. وفقا لمكونات درجة الحرارة العالية من المحتوى الحراري. وقد انتشرت هذه الطريقة مع تطور تكنولوجيا الصواريخ عند حساب التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية أثناءها درجات حرارة عالية. يعتمد على تعريف السعة الحرارية متساوية الضغط:

ارتفاع درجة حرارة عنصر المحتوى الحراري. يوضح مدى تغير المحتوى الحراري لمادة معينة عند تسخينها بعدد معين من الدرجات.

للتفاعل الكيميائي نكتب:

هكذا:

محاضرة رقم 3.

مخطط المحاضرة:

1. القانون الثاني للديناميكا الحرارية، التعريف، التدوين الرياضي.

2. تحليل القانون الثاني للديناميكا الحرارية

3. حساب تغيرات الإنتروبيا في بعض العمليات

حرارة التفاعل (التأثير الحراري للتفاعل) هي كمية الحرارة Q المنطلقة أو الممتصة. إذا تم إطلاق الحرارة أثناء التفاعل، يسمى التفاعل طاردًا للحرارة، وإذا تم امتصاص الحرارة، يسمى التفاعل ماصًا للحرارة.

يتم تحديد حرارة التفاعل بناءً على القانون الأول (القانون) للديناميكا الحرارية،والتعبير الرياضي في أبسط صوره للتفاعلات الكيميائية هو المعادلة:

س = ∆U + ∆V (2.1)

حيث Q هي حرارة التفاعل، ΔU هو التغير في الطاقة الداخلية، p هو الضغط، ΔV هو التغير في الحجم.

الحساب الكيميائي الحراري يتكون من تحديد التأثير الحراريتفاعلات.ووفقا للمعادلة (2.1)، فإن القيمة العددية لحرارة التفاعل تعتمد على طريقة تنفيذها. في عملية متساوية اللون يتم تنفيذها عند V=const، فإن حرارة التفاعل Q V =Δ U، في عملية متساوية الضغط عند p = تأثير حراري ثابت Q P =Δ ح.وبالتالي فإن الحساب الكيميائي الحراري هو الخامستحديد حجم التغير في الطاقة الداخلية أو المحتوى الحراري أثناء التفاعل. بما أن الغالبية العظمى من التفاعلات تحدث في ظل ظروف متساوية الضغط (على سبيل المثال، هذه كلها تفاعلات في الأوعية المفتوحة التي تحدث عند الضغط الجوي) ، عند إجراء الحسابات الكيميائية الحرارية، يتم دائمًا إجراء حساب ΔH . لوΔ ن<0, то реакция экзотермическая, если же Δ H>0، فإن التفاعل ماص للحرارة.

يتم إجراء الحسابات الكيميائية الحرارية باستخدام قانون هيس، والذي بموجبه لا يعتمد التأثير الحراري لعملية ما على مسارها، ولكن يتم تحديده فقط من خلال طبيعة وحالة المواد والمنتجات الأولية للعملية، أو، في أغلب الأحيان، نتيجة طبيعية لقانون هيس: التأثير الحراري للتفاعل يساوي المبلغمع ارتفاع درجات الحرارة (المحتوى الحراري) لتكوين المنتجات مطروحًا منه مجموع درجات الحرارة (المحتوى الحراري) لتكوين المواد المتفاعلة.

في الحسابات وفقا لقانون هيس، يتم استخدام معادلات التفاعلات المساعدة التي تكون تأثيراتها الحرارية معروفة. جوهر العمليات الحسابية وفقًا لقانون هيس هو أن العمليات الجبرية تتم على معادلات التفاعلات المساعدة التي تؤدي إلى معادلة تفاعل ذات تأثير حراري غير معروف.

مثال 2.1. تحديد حرارة التفاعل: 2СО + O 2 = 2СО 2 ΔН - ؟

نستخدم التفاعلات التالية كتفاعلات مساعدة: 1) C + O 2 = C0 2؛Δ H 1 = -393.51 كيلوجول و2) 2C + O 2 = 2CO؛Δ ح 2 = -220.1 كيلوجول، حيثΔ لا يوجدΔ ح 2 - التأثيرات الحرارية للتفاعلات المساعدة. باستخدام معادلات هذه التفاعلات، من الممكن الحصول على معادلة تفاعل معين إذا تم ضرب المعادلة المساعدة 1) في اثنين والمعادلة 2) من النتيجة التي تم الحصول عليها. وبالتالي فإن الحرارة المجهولة لتفاعل معين تساوي:

Δ ح = 2Δ ح 1 -Δ ح 2 = 2(-393.51) - (-220.1) = -566.92 كيلوجول.

إذا تم استخدام نتيجة طبيعية من قانون هيس في الحسابات الكيميائية الحرارية، فإنه بالنسبة للتفاعل المعبر عنه بالمعادلة aA+bB=cC+dD، يتم استخدام العلاقة التالية:

ΔH = (cΔNobr,s + dΔHobr D) - (aΔNobr A + bΔH rev,c) (2.2)

حيث ΔН هي حرارة التفاعل؛ ΔН o br - حرارة (المحتوى الحراري) للتكوين، على التوالي، لمنتجات التفاعل C وD والكواشف A وB؛ ج، د، أ، ب - معاملات العناصر المتكافئة.

الحرارة (المحتوى الحراري) لتكوين مركب هي التأثير الحراري للتفاعل الذي يتم خلاله تكوين 1 مول من هذا المركب من مواد بسيطة تكون في مراحل وتعديلات مستقرة ديناميكيًا 1 *. على سبيل المثال , حرارة تكوين الماء في حالة البخار تساوي نصف حرارة التفاعل معبرا عنها بالمعادلة: 2H 2 (g)+ يا 2 (ز)= 2H2O(ز).البعد الحراري للتكوين هو kJ/mol.

في الحسابات الكيميائية الحرارية، عادة ما يتم تحديد درجات حرارة التفاعلات للظروف القياسية، والتي تأخذ الصيغة (2.2) الشكل:

ΔН°298 = (сΔН° 298, arr. C + dΔH° 298, o 6 p , D) - (аΔН° 298, arr. A + bΔН° 298, arr. c)(2.3)

حيث ΔН° 298 هي حرارة التفاعل القياسية بالكيلو جول (يشار إلى القيمة القياسية بالحرف المرتفع "0") عند درجة حرارة 298K، و ΔН° 298,obR هي درجات الحرارة القياسية (المحتوى الحراري) للتكوين أيضًا عند درجة حرارة من 298 ألف. ΔН° القيم 298 .obR.يتم تعريفها لجميع الاتصالات وهي بيانات جدولية. 2* - أنظر الجدول الملحق .

مثال 2.2. حساب الحرارة القياسية صه الأسهم المعبر عنها بالمعادلة:

4NH 3 (ص) + 5O 2 (ز) = 4NO (ز) + 6H 2 O (ز).

وفقا للنتيجة الطبيعية لقانون هيس، نكتب 3*:

Δ ن 0 298 = (4Δ ن 0 298. أو ب ص . لا+6∆ح 0 298.د.H20) - 4∆ح 0 298 آر. نه ز. باستبدال القيم المجدولة لدرجات الحرارة القياسية لتكوين المركبات الواردة في المعادلة، نحصل على:Δ ن °298= (4(90.37) + 6(-241.84)) - 4(-46.19) = - 904.8 كيلوجول.

تشير الإشارة السلبية لحرارة التفاعل إلى أن العملية طاردة للحرارة.

في الكيمياء الحرارية، يشار عادة إلى التأثيرات الحرارية في معادلات التفاعل. هذه تسمى المعادلات ذات التأثير الحراري المحدد بالكيمياء الحرارية.على سبيل المثال، تتم كتابة المعادلة الكيميائية الحرارية للتفاعل المذكور في المثال 2.2:

4NH 3 (جم) + 50 2 (جم) = 4NO (جم) + 6H 2 0 (جم)؛Δ Н° 29 8 = - 904.8 كيلوجول.

إذا كانت الظروف تختلف عن الشروط القياسية، فإنه يسمح بذلك في الحسابات الكيميائية الحرارية العملية شياباستخدام التكبير: Δ ن ≈Δ Н° 298 (2.4)يعكس التعبير (2.4) ضعف اعتماد حرارة التفاعل على ظروف حدوثه.

في الكيمياء الحرارية، كمية الحرارة سالذي يتم إطلاقه أو امتصاصه نتيجة تفاعل كيميائي يسمى التأثير الحراري.تسمى التفاعلات التي تحدث مع إطلاق الحرارة طارد للحرارة (س>0) ومع امتصاص الحرارة - ماص للحرارة (س<0 ).

في الديناميكا الحرارية، تسمى العمليات التي يتم فيها إطلاق الحرارة طارد للحرارةوالعمليات التي يتم فيها امتصاص الحرارة - ماص للحرارة.

وفقا للنتيجة الطبيعية للقانون الأول للديناميكا الحرارية بالنسبة للعمليات متساوية الحرارة، فإن التأثير الحراري يساوي التغير في الطاقة الداخلية للنظام .

وبما أنه في الكيمياء الحرارية يتم استخدام العلامة المعاكسة فيما يتعلق بالديناميكا الحرارية، إذن.

بالنسبة للعمليات متساوية الضغط، فإن التأثير الحراري يساوي التغير في المحتوى الحراري للنظام .

إذا د ح > 0- تحدث العملية بامتصاص الحرارة وتكون ماص للحرارة.

إذا د ح< 0 - العملية مصحوبة بإطلاق الحرارة وهي طارد للحرارة.

من الأول بداية الديناميكا الحراريةيتدفققانون هيس:

يعتمد التأثير الحراري للتفاعلات الكيميائية فقط على نوع وحالة المواد الأولية و المنتجات النهائيةولكن لا يعتمد على مسار الانتقال من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية.

ونتيجة لهذا القانون هو القاعدة التي باستخدام المعادلات الكيميائية الحرارية، يمكنك إجراء عمليات جبرية عادية.

على سبيل المثال، فكر في تفاعل أكسدة الفحم مع ثاني أكسيد الكربون.

يمكن تحقيق التحول من المواد الأولية إلى المواد النهائية عن طريق حرق الفحم مباشرة إلى ثاني أكسيد الكربون:

C (ر) + O 2 (ز) = CO 2 (ز).

التأثير الحراري لهذا التفاعل هو Δ ح 1.

يمكن تنفيذ هذه العملية على مرحلتين (الشكل 4). في المرحلة الأولى، يحترق الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون حسب التفاعل

C (ر) + O 2 (ز) = CO (ز)،

في ثاني أكسيد الكربون الثاني يحترق إلى ثاني أكسيد الكربون

CO (ر) + O 2 (ز) = CO 2 (ز).

التأثيرات الحرارية لهذه التفاعلات هي على التوالي Δ ح 2وΔ ن 3.

أرز. 4. مخطط عملية حرق الفحم لثاني أكسيد الكربون

تجد جميع العمليات الثلاث تطبيق واسعفي التمرين. يسمح لنا قانون هيس بربط التأثيرات الحرارية لهذه العمليات الثلاث بالمعادلة:

Δ ح 1=Δ ح 2 + Δ ن 3.

يمكن قياس التأثيرات الحرارية للعمليتين الأولى والثالثة بسهولة نسبية، ولكن حرق الفحم إلى أول أكسيد الكربون عند درجات حرارة عالية أمر صعب. يمكن حساب تأثيره الحراري:

Δ ح 2=Δ ح 1 - Δ ن 3.

Δ القيم ح 1و Δ ح 2يعتمد على نوع الفحم المستخدم . القيمة Δ ن 3لا علاقة لهذا. عند حرق مول واحد من ثاني أكسيد الكربون عند ضغط ثابت عند 298 كلفن، تكون كمية الحرارة Δ ن 3= -283.395 كيلوجول/مول. Δ ح 1= -393.86 كيلو جول/مول عند 298 كلفن. ثم عند 298K Δ ح 2= -393.86 + 283.395 = -110.465 كيلوجول/مول.

يتيح قانون هيس إمكانية حساب التأثيرات الحرارية للعمليات التي لا توجد لها بيانات تجريبية أو التي لا يمكن قياسها الظروف المناسبة. وينطبق هذا على التفاعلات الكيميائية وعمليات الذوبان والتبخر والتبلور والامتزاز وما إلى ذلك.

عند تطبيق قانون هيس، يجب مراعاة الشروط التالية بدقة:

يجب أن يكون لكلتا العمليتين حالات أولية متطابقة حقًا وحالات نهائية متطابقة حقًا؛

لا ينبغي أن يكونوا متماثلين فحسب التركيبات الكيميائيةالمنتجات، ولكن أيضًا ظروف وجودها (درجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك) وحالة التجميع، وبالنسبة للمواد البلورية، تعديل البلورة.

عند حساب التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية بناءً على قانون هيس، عادةً ما يتم استخدام نوعين من التأثيرات الحرارية - حرارة الاحتراق وحرارة التكوين.

حرارة التكوينيسمى التأثير الحراري لتفاعل تكوين مركب معين من مواد بسيطة.

حرارة الاحتراقهو التأثير الحراري لتفاعل أكسدة مركب معين مع الأكسجين لتكوين أكاسيد أعلى من العناصر أو المركبات المقابلة لهذه الأكاسيد.

تشير القيم المرجعية للتأثيرات الحرارية والكميات الأخرى عادة إلى الحالة القياسية للمادة.

مثل حالة قياسيةالسائل الفردي و المواد الصلبةخذ حالتها عند درجة حرارة معينة وعند ضغط يساوي جوًا واحدًا، وبالنسبة للغازات الفردية - حالتها عند درجة حرارة وضغط معينين يساوي 1.01·10 5 باسكال (1 ضغط جوي)، فإنها تتمتع بخصائص المثال المثالي. غاز. لتسهيل العمليات الحسابية، يتم الرجوع إلى البيانات المرجعية درجة الحرارة القياسية 298 ك.

إذا كان من الممكن وجود عنصر ما في عدة تعديلات، فإن التعديل المستقر عند 298 كلفن والضغط الجوي يساوي 1.01 · 10 5 باسكال (1 ATM) يتم أخذه كمعيار قياسي.

يتم تمييز جميع الكميات المتعلقة بالحالة القياسية للمواد بخط مرتفع على شكل دائرة: . في العمليات المعدنية، تتشكل معظم المركبات مع إطلاق الحرارة، لذلك فإن زيادة المحتوى الحراري لها تكون . بالنسبة للعناصر في الحالة القياسية، تكون القيمة .

باستخدام البيانات المرجعية للحرارة القياسية لتكوين المواد المشاركة في التفاعل، يمكنك بسهولة حساب التأثير الحراري للتفاعل.

ومن قانون هس يأتي:التأثير الحراري للتفاعل يساوي الفرق بين درجات حرارة تكوين جميع المواد المبينة على الجانب الأيمن من المعادلة(المواد النهائية أو منتجات التفاعل) ، وحرارة تكوين جميع المواد المشار إليها في الجانب الأيسر من المعادلة(المواد الأولية) ، مأخوذة مع المعاملات، معاملات متساويةقبل صيغ هذه المواد في معادلة التفاعل:

أين ن- عدد مولات المادة المشاركة في التفاعل .

مثال. دعونا نحسب التأثير الحراري للتفاعل Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2. درجات حرارة تكوين المواد المشاركة في التفاعل هي: بالنسبة إلى Fe 3 O 4، بالنسبة إلى CO، بالنسبة إلى FeO، بالنسبة إلى CO 2.

التأثير الحراري للتفاعل:

بما أن التفاعل عند 298K هو ماص للحرارة، أي. يأتي مع امتصاص الحرارة.

يمارس 81.
احسب كمية الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء اختزال الحديد 2 يا 3 الألومنيوم المعدني إذا تم الحصول على 335.1 جم من الحديد. الجواب: 2543.1 كيلوجول.
حل:
معادلة التفاعل:

= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669.8 -(-822.1) = -847.7 كيلوجول

يتم حساب كمية الحرارة المنبعثة عند تلقي 335.1 جم من الحديد من النسبة:

(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : العاشر؛ س = (0847.7.7 . 335,1)/ (2 . 55.85) = 2543.1 كيلوجول،

حيث 55.85 الكتلة الذريةغدة.

إجابة: 2543.1 كيلوجول.

التأثير الحراري للتفاعل

المهمة 82.
الغازي الإيثانوليمكن الحصول على C2H5OH من خلال تفاعل الإيثيلين C2H4(g) وبخار الماء. اكتب المعادلة الكيميائية الحرارية لهذا التفاعل، بعد أن قمت أولاً بحساب تأثيره الحراري. الجواب: -45.76 كيلوجول.
حل:
معادلة التفاعل هي :

C 2 H 4 (ز) + H 2 O (ز) = C2H 5 OH (ز)؛ = ؟

وترد قيم درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد في جداول خاصة. مع الأخذ في الاعتبار أن حرارة تكوين المواد البسيطة يُفترض تقليديًا أنها صفر. لنحسب التأثير الحراري للتفاعل باستخدام نتيجة قانون هيس، نحصل على:

= (C2H5OH) – [ (C2H4) + (H2O)] =
= -235.1 -[(52.28) + (-241.83)] = - 45.76 كيلوجول

معادلات التفاعل التي تتعلق بالرموز مركبات كيميائيةتتم الإشارة إلى حالات التجميع أو التعديل البلوري، بالإضافة إلى القيمة العددية للتأثيرات الحرارية، والتي تسمى الكيمياء الحرارية. في المعادلات الكيميائية الحرارية، ما لم يُنص على ذلك على وجه التحديد، تتم الإشارة إلى قيم التأثيرات الحرارية عند الضغط الثابت Q p مساوية للتغير في المحتوى الحراري للنظام. عادة ما يتم إعطاء القيمة على الجانب الأيمن من المعادلة، مفصولة بفاصلة أو فاصلة منقوطة. يتم قبول التسميات المختصرة التالية لحالة تجميع المادة: ز- الغازي، و- سائل، ل

إذا تم إطلاق الحرارة نتيجة للتفاعل، إذن< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

C 2 H 4 (ز) + H 2 O (ز) = C 2 H 5 OH (ز)؛ = - 45.76 كيلوجول.

إجابة:- 45.76 كيلوجول.

المهمة 83.
احسب التأثير الحراري لتفاعل اختزال أكسيد الحديد (II) مع الهيدروجين بناءً على المعادلات الكيميائية الحرارية التالية:

أ) EO (ك) + CO (ز) = الحديد (ك) + CO 2 (ز)؛ = -13.18 كيلوجول؛
ب) CO (ز) + 1/2O 2 (ز) = CO 2 (ز)؛ = -283.0 كيلوجول؛
ج) H 2 (ز) + 1/2O 2 (ز) = H 2 O (ز)؛ = -241.83 كيلوجول.
الجواب: +27.99 كيلوجول.

حل:
معادلة التفاعل لاختزال أكسيد الحديد (II) مع الهيدروجين لها الشكل:

EeO (ك) + H 2 (ز) = الحديد (ك) + H 2 O (ز)؛ = ؟

= (H2O) - [(FeO)

يتم الحصول على حرارة تكوين الماء بالمعادلة

ح 2 (ز) + 1/2O 2 (ز) = ح 2 يا (ز)؛ = -241.83 كيلوجول،

ويمكن حساب حرارة تكوين أكسيد الحديد (II) بطرح المعادلة (أ) من المعادلة (ب).

=(ج) - (ب) - (أ) = -241.83 – [-283.o – (-13.18)] = +27.99 كيلوجول.

إجابة:+27.99 كيلوجول.

المهمة 84.
عندما يتفاعل كبريتيد الهيدروجين الغازي وثاني أكسيد الكربون، يتشكل بخار الماء وثاني كبريتيد الكربون CS 2 (ز). اكتب المعادلة الكيميائية الحرارية لهذا التفاعل واحسب تأثيره الحراري أولاً. الجواب: +65.43 كيلوجول.
حل:
ز- الغازي، و- سائل، ل- بلوري. يتم حذف هذه الرموز إذا كانت الحالة التجميعية للمواد واضحة، على سبيل المثال، O 2، H 2، إلخ.
معادلة التفاعل هي :

2H 2 S (ز) + CO 2 (ز) = 2H 2 O (ز) + CS 2 (ز)؛ = ؟

وترد قيم درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد في جداول خاصة. مع الأخذ في الاعتبار أن حرارة تكوين المواد البسيطة يُفترض تقليديًا أنها صفر. يمكن حساب التأثير الحراري للتفاعل باستخدام نتيجة طبيعية لقانون هيس:

= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)]؛
= 2(-241.83) + 115.28 – = +65.43 كيلوجول.

2H 2 S (ز) + CO 2 (ز) = 2H 2 O (ز) + CS 2 (ز)؛ = +65.43 كيلوجول.

إجابة:+65.43 كيلوجول.

معادلة التفاعل الكيميائي الحراري

المهمة 85.
اكتب المعادلة الكيميائية الحرارية للتفاعل بين ثاني أكسيد الكربون (g) والهيدروجين، والذي ينتج عنه تكوين CH 4 (g) وH 2 O (g). ما مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء هذا التفاعل إذا تم الحصول على 67.2 لترًا من الميثان بدلالة الظروف العادية؟ الجواب: 618.48 كيلوجول.
حل:
تسمى معادلات التفاعل التي يتم فيها الإشارة إلى حالة التجميع أو التعديل البلوري، وكذلك القيمة العددية للتأثيرات الحرارية بجوار رموز المركبات الكيميائية، بالكيمياء الحرارية. في المعادلات الكيميائية الحرارية، ما لم يُنص على ذلك على وجه التحديد، تتم الإشارة إلى قيم التأثيرات الحرارية عند ضغط ثابت Qp يساوي التغير في المحتوى الحراري للنظام. عادة ما يتم إعطاء القيمة على الجانب الأيمن من المعادلة، مفصولة بفاصلة أو فاصلة منقوطة. يتم قبول التسميات المختصرة التالية لحالة تجميع المادة: ز- الغازي، و- شئ ما، ل- بلوري. يتم حذف هذه الرموز إذا كانت الحالة التجميعية للمواد واضحة، على سبيل المثال، O 2، H 2، إلخ.
معادلة التفاعل هي :

CO (ز) + 3H2 (ز) = CH 4 (ز) + H2O (ز)؛ = ؟

= (H2O) + (CH4) – (CO)]؛
= (-241.83) + (-74.84) - (-110.52) = -206.16 كيلوجول.

المعادلة الكيميائية الحرارية ستكون:

22,4 : -206,16 = 67,2 : العاشر؛ س = 67.2 (-206.16)/22?4 = -618.48 كيلوجول؛ س = 618.48 كيلوجول.

إجابة: 618.48 كيلوجول.

حرارة التكوين

المهمة 86.
ويكون التأثير الحراري للتفاعل مساويا لحرارة التكوين. احسب حرارة تكوين NO بناءً على المعادلات الكيميائية الحرارية التالية:
أ) 4NH 3 (ز) + 5O 2 (ز) = 4NO (ز) + 6H 2 O (ل)؛ = -1168.80 كيلوجول؛
ب) 4NH 3 (ز) + 3O 2 (ز) = 2N 2 (ز) + 6H 2 O (ل)؛ = -1530.28 كيلوجول
الجواب: 90.37 كيلوجول.
حل:
حرارة التكوين القياسية تساوي حرارة تفاعل تكوين 1 مول من هذه المادة من مواد بسيطة في ظل الظروف القياسية (T = 298 K؛ p = 1.0325.105 Pa). يمكن تمثيل تكوين NO من مواد بسيطة على النحو التالي:

1/2ن2 + 1/2س2 = لا

المعطى هو التفاعل (a)، الذي ينتج 4 mol من NO، والتفاعل (b)، الذي ينتج 2 mol من N2. ويشارك الأكسجين في كلا التفاعلين. لذلك، لتحديد الحرارة القياسية لتكوين NO، نؤلف دورة هيس التالية، أي أننا بحاجة إلى طرح المعادلة (أ) من المعادلة (ب):

وبالتالي، 1/2N 2 + 1/2O 2 = NO؛ = +90.37 كيلوجول.

إجابة: 618.48 كيلوجول.

المهمة 87.
يتكون كلوريد الأمونيوم البلوري من تفاعل غازات الأمونيا وكلوريد الهيدروجين. اكتب المعادلة الكيميائية الحرارية لهذا التفاعل، بعد أن قمت أولاً بحساب تأثيره الحراري. ما مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها إذا تم استهلاك 10 لترات من الأمونيا في التفاعل، محسوبة في الظروف العادية؟ الجواب: 78.97 كيلوجول.
حل:
تسمى معادلات التفاعل التي يتم فيها الإشارة إلى حالة التجميع أو التعديل البلوري، وكذلك القيمة العددية للتأثيرات الحرارية بجوار رموز المركبات الكيميائية، بالكيمياء الحرارية. في المعادلات الكيميائية الحرارية، ما لم يُنص على ذلك على وجه التحديد، تتم الإشارة إلى قيم التأثيرات الحرارية عند ضغط ثابت Qp يساوي التغير في المحتوى الحراري للنظام. عادة ما يتم إعطاء القيمة على الجانب الأيمن من المعادلة، مفصولة بفاصلة أو فاصلة منقوطة. تم قبول ما يلي: ل- بلوري. يتم حذف هذه الرموز إذا كانت الحالة التجميعية للمواد واضحة، على سبيل المثال، O 2، H 2، إلخ.
معادلة التفاعل هي :

NH 3 (ز) + حمض الهيدروكلوريك (ز) = NH 4 Cl (ك). ; = ؟

= (NH4Cl) - [(NH 3) + (HCl)]؛
= -315.39 - [-46.19 + (-92.31) = -176.85 كيلوجول.

المعادلة الكيميائية الحرارية ستكون:

يتم تحديد الحرارة المنبعثة أثناء تفاعل 10 لترات من الأمونيا في هذا التفاعل من النسبة:

22,4 : -176,85 = 10 : العاشر؛ س = 10 (-176.85)/22.4 = -78.97 كيلوجول؛ س = 78.97 كيلوجول.

إجابة: 78.97 كيلوجول.