Die Thermochemie untersucht die thermischen Auswirkungen chemischer Reaktionen. In vielen Fällen finden diese Reaktionen bei einem konstanten Volumen statt konstanter Druck. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, dass Wärme unter diesen Bedingungen eine Funktion des Zustands ist. Bei konstantem Volumen ist Wärme gleich der Änderung der inneren Energie:
und bei konstantem Druck - die Änderung der Enthalpie:
Diese Gleichheiten bilden, wenn man sie auf chemische Reaktionen anwendet, das Wesentliche Hesssches Gesetz:
Der thermische Effekt einer chemischen Reaktion, die bei konstantem Druck oder konstantem Volumen abläuft, hängt nicht vom Reaktionsweg ab, sondern wird nur durch den Zustand der Reaktanten und Reaktionsprodukte bestimmt.
Mit anderen Worten: Der thermische Effekt einer chemischen Reaktion ist gleich der Änderung der Zustandsfunktion.
Im Gegensatz zu anderen Anwendungen der Thermodynamik wird in der Thermochemie Wärme dann als positiv angesehen, wenn sie im Körper freigesetzt wird Umfeld, d.h. Wenn H < 0 или U
< 0. Под тепловым эффектом химической реакции
понимают значение H(was einfach als „Reaktionsenthalpie“ bezeichnet wird) oder U Reaktionen.
Wenn die Reaktion in Lösung oder in der festen Phase stattfindet, wo die Volumenänderung vernachlässigbar ist, dann
H = U + (pV) U. (3.3)
Wenn ideale Gase an der Reaktion beteiligt sind, dann bei konstanter Temperatur
H = U + (pV) = U+n. RT, (3.4)
Dabei ist n die Änderung der Molzahl der Gase in der Reaktion.
Um den Vergleich der Enthalpien verschiedener Reaktionen zu erleichtern, wird das Konzept eines „Standardzustands“ verwendet. Der Standardstaat ist der Staat reine Substanz bei einem Druck von 1 bar (= 10 5 Pa) und einer bestimmten Temperatur. Bei Gasen handelt es sich um einen hypothetischen Zustand bei einem Druck von 1 bar, der die Eigenschaften eines unendlich verdünnten Gases aufweist. Reaktionsenthalpie zwischen Stoffen in Standardzuständen bei Temperatur T, bezeichnen ( R bedeutet „Reaktion“). Thermochemische Gleichungen geben nicht nur die Formeln von Stoffen an, sondern auch deren Aggregatzustände oder kristalline Modifikationen.
Aus dem Hessschen Gesetz ergeben sich wichtige Konsequenzen, die es ermöglichen, die Enthalpien chemischer Reaktionen zu berechnen.
Folgerung 1.
gleich der Differenz zwischen den Standardbildungsenthalpien von Reaktionsprodukten und Reagenzien (unter Berücksichtigung stöchiometrischer Koeffizienten):
Standard-Bildungsenthalpie (Wärme) einer Substanz (F bedeutet „Bildung“) bei einer bestimmten Temperatur ist die Enthalpie der Bildungsreaktion eines Mols dieser Substanz aus Elementen, die sich im stabilsten Standardzustand befinden. Nach dieser Definition beträgt die Bildungsenthalpie der stabilsten einfachen Stoffe im Standardzustand bei jeder Temperatur 0. In Nachschlagewerken sind Standardbildungsenthalpien von Stoffen bei einer Temperatur von 298 K angegeben.
Der Begriff „Bildungsenthalpie“ wird nicht nur für gewöhnliche Stoffe, sondern auch für Ionen in Lösung verwendet. Als Bezugspunkt wird in diesem Fall das H+-Ion genommen, für das die Standardbildungsenthalpie in einer wässrigen Lösung mit Null angenommen wird: 
Folgerung 2. Standardenthalpie einer chemischen Reaktion
gleich der Differenz zwischen den Verbrennungsenthalpien der Reaktanten und Reaktionsprodukte (unter Berücksichtigung stöchiometrischer Koeffizienten):
(C bedeutet „Verbrennung“). Die Standardverbrennungsenthalpie (Wärme) eines Stoffes ist die Enthalpie der Reaktion der vollständigen Oxidation eines Mols eines Stoffes. Diese Konsequenz wird üblicherweise zur Berechnung der thermischen Auswirkungen organischer Reaktionen verwendet.
Folgerung 3. Die Enthalpie einer chemischen Reaktion ist gleich der Energiedifferenz zwischen den aufgebrochenen und den neu gebildeten chemischen Bindungen.
Energie der Kommunikation A-B nennen die Energie, die erforderlich ist, um eine Bindung aufzubrechen und die resultierenden Teilchen über eine unendliche Distanz zu trennen:
AB (g) A (g) + B (g) .
Kommunikationsenergie ist immer positiv.
Die meisten thermochemischen Daten in Nachschlagewerken werden bei einer Temperatur von 298 K angegeben. Um thermische Effekte bei anderen Temperaturen zu berechnen, verwenden Sie Kirchhoff-Gleichung:
(Differentialform) (3.7)
(Integralform) (3.8)
Wo C p- der Unterschied zwischen den isobaren Wärmekapazitäten der Reaktionsprodukte und der Ausgangsstoffe. Wenn der Unterschied T 2 - T 1 ist klein, dann können Sie akzeptieren C p= konst. Bei großen Temperaturunterschieden ist der Einsatz erforderlich Temperaturabhängigkeit C p(T) Typ:
Wo sind die Koeffizienten? A, B, C usw. für einzelne Stoffe werden sie dem Nachschlagewerk entnommen und das Vorzeichen gibt den Unterschied zwischen den Produkten und Reagenzien (unter Berücksichtigung der Koeffizienten) an.
BEISPIELE
Beispiel 3-1. Die Standardbildungsenthalpien von flüssigem und gasförmigem Wasser bei 298 K betragen -285,8 bzw. -241,8 kJ/mol. Berechnen Sie die Verdampfungsenthalpie von Wasser bei dieser Temperatur.
Lösung. Die Bildungsenthalpien entsprechen den folgenden Reaktionen:
H 2 (g) + SO 2 (g) = H 2 O (l), H 1 0 = -285.8;
H 2 (g) + SO 2 (g) = H 2 O (g), H 2 0 = -241.8.
Die zweite Reaktion kann in zwei Stufen durchgeführt werden: Zuerst wird Wasserstoff verbrannt, um gemäß der ersten Reaktion flüssiges Wasser zu bilden, und dann wird das Wasser verdampft:
H 2 O (l) = H 2 O (g), H 0 isp = ?
Dann gilt nach dem Hessschen Gesetz
H 1 0 + H 0 isp = H 2 0 ,
Wo H 0 isp = -241,8 - (-285,8) = 44,0 kJ/mol.
Antwort. 44,0 kJ/mol.
Beispiel 3-2. Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie
6C (g) + 6H (g) = C 6 H 6 (g)
a) durch Bildungsenthalpien; b) durch Bindungsenergien, unter der Annahme, dass die Doppelbindungen im C 6 H 6-Molekül fixiert sind.
Lösung. a) Bildungsenthalpien (in kJ/mol) sind im Nachschlagewerk zu finden (z. B. P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. Auflage, S. C9-C15): f H 0 (C 6 H 6 (g)) = 82,93, f H 0 (C(g)) = 716,68, f H 0 (H(g)) = 217,97. Die Enthalpie der Reaktion beträgt:
rH 0 = 82,93 – 6.716,68 – 6.217,97 = –5525 kJ/mol.
b) In dieser Reaktion chemische Bindungen nicht brechen, sondern nur formen. In der Näherung für feste Doppelbindungen enthält das C 6 H 6-Molekül 6 C-H-Bindungen, 3 C-C-Bindungen und 3 C=C-Bindungen. Bindungsenergien (in kJ/mol) (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5. Auflage, S. C7): E(C-H) = 412, E(C-C) = 348, E(C=C) = 612. Die Enthalpie der Reaktion beträgt:
rH 0 = -(6.412 + 3.348 + 3.612) = -5352 kJ/mol.
Der Unterschied zum genauen Ergebnis -5525 kJ/mol ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass es im Benzolmolekül keine C-C-Einfachbindungen und C=C-Doppelbindungen gibt, sondern 6 aromatische C-C-Bindungen.
Antwort. a) -5525 kJ/mol; b) -5352 kJ/mol.
Beispiel 3-3. Berechnen Sie anhand von Referenzdaten die Enthalpie der Reaktion
3Cu (tv) + 8HNO 3(aq) = 3Cu(NO 3) 2(aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l)
Lösung. Die abgekürzte Ionengleichung für die Reaktion lautet:
3Cu (s) + 8H + (aq) + 2NO 3 - (aq) = 3Cu 2+ (aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l).
Nach dem Hessschen Gesetz ist die Enthalpie der Reaktion gleich:
rH 0 = 4f H 0 (H 2 O (l)) + 2 f H 0 (NEIN (g)) + 3 f H 0 (Cu 2+ (aq)) - 2 f H 0 (NO 3 - (aq))
(Die Bildungsenthalpien von Kupfer und dem H + -Ion sind per Definition gleich 0). Setzt man die Werte der Bildungsenthalpien ein (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5. Auflage, S. C9-C15), finden wir:
rH 0 = 4 (-285,8) + 2 90,25 + 3 64,77 - 2 (-205,0) = -358,4 kJ
(basierend auf drei Mol Kupfer).
Antwort. -358,4 kJ.
Beispiel 3-4. Berechnen Sie die Verbrennungsenthalpie von Methan bei 1000 K, wenn die Bildungsenthalpie bei 298 K gegeben ist: f H 0 (CH 4) = -17,9 kcal/mol, f H 0 (CO 2) = -94,1 kcal/mol, f H 0 (H 2 O (g)) = -57,8 kcal/mol. Die Wärmekapazitäten von Gasen (in cal/(mol. K)) im Bereich von 298 bis 1000 K betragen:
C p (CH 4) = 3,422 + 0,0178. T, C p(O2) = 6,095 + 0,0033. T,
C p (CO 2) = 6,396 + 0,0102. T, C p(H 2 O (g)) = 7,188 + 0,0024. T.
Lösung. Enthalpie der Methanverbrennungsreaktion
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
bei 298 K ist gleich:
94,1 + 2 (-57,8) - (-17,9) = -191,8 kcal/mol.
Lassen Sie uns den Unterschied der Wärmekapazitäten als Funktion der Temperatur ermitteln:
C p = C p(CO2) + 2 C p(H 2 O (g)) - C p(CH 4) - 2 C p(O2) =
= 5.16 - 0.0094T(cal/(mol K)).
Die Reaktionsenthalpie bei 1000 K wird mit der Kirchhoff-Gleichung berechnet:
= + 
= -191800 + 5.16
(1000-298) - 0,0094 (1000 2 -298 2)/2 = -192500 cal/mol.
Antwort. -192,5 kcal/mol.
AUFGABEN
3-1. Wie viel Wärme ist erforderlich, um 500 g Al zu übertragen (Schmelzpunkt 658 °C, H 0 pl = 92,4 cal/g), entnommen bei Zimmertemperatur, in einen geschmolzenen Zustand, wenn C p(Al TV) = 0,183 + 1,096 · 10 -4 T cal/(g K)?
3-2. Die Standardenthalpie der Reaktion CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (g), die in einem offenen Gefäß bei einer Temperatur von 1000 K abläuft, beträgt 169 kJ/mol. Wie groß ist die Wärme dieser Reaktion, die bei der gleichen Temperatur, aber in einem geschlossenen Gefäß stattfindet?
3-3. Berechnen Sie die standardmäßige innere Bildungsenergie von flüssigem Benzol bei 298 K, wenn die standardmäßige Bildungsenthalpie 49,0 kJ/mol beträgt.
3-4. Berechnen Sie die Bildungsenthalpie von N 2 O 5 (g) bei T= 298 K basierend auf folgenden Daten:
2NO(g) + O 2 (g) = 2NO 2 (g), H 1 0 = -114,2 kJ/mol,
4NO 2 (g) + O 2 (g) = 2N 2 O 5 (g), H 2 0 = -110,2 kJ/mol,
N 2 (g) + O 2 (g) = 2NO (g), H 3 0 = 182,6 kJ/mol.
3-5. Die Verbrennungsenthalpien von -Glucose, -Fructose und Saccharose bei 25 °C betragen -2802,
-2810 bzw. -5644 kJ/mol. Berechnen Sie die Hydrolysewärme von Saccharose.
3-6. Bestimmen Sie die Bildungsenthalpie von Diboran B 2 H 6 (g) bei T= 298 K aus folgenden Daten:
B 2 H 6 (g) + 3O 2 (g) = B 2 O 3 (tv) + 3H 2 O (g), H 1 0 = -2035,6 kJ/mol,
2B(tv) + 3/2 O 2 (g) = B 2 O 3 (tv), H 2 0 = -1273,5 kJ/mol,
H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) = H 2 O (g), H 3 0 = -241,8 kJ/mol.
3-7. Berechnen Sie die Bildungswärme von Zinksulfat aus einfachen Stoffen bei T= 298 K basierend auf den folgenden Daten.
Alle Methoden zur Berechnung thermischer Effekte basieren auf der Kirchhoff-Gleichung in Integralform.
Am häufigsten wird als erste Temperatur der Standard 298,15 K verwendet.
Alle Methoden zur Berechnung thermischer Effekte basieren auf Methoden zur Bildung des Integrals der rechten Seite der Gleichung.
Methoden zur Integralbildung:
I. Basierend auf durchschnittlichen Wärmekapazitäten. Diese Methode ist die einfachste und ungenaueste. In diesem Fall wird der Ausdruck unter dem Integralzeichen durch die Änderung der durchschnittlichen Wärmekapazität ersetzt, die im ausgewählten Bereich nicht von der Temperatur abhängt.
Für die meisten Reaktionen werden die durchschnittlichen Wärmekapazitäten tabellarisch aufgeführt und gemessen. Sie lassen sich anhand von Referenzdaten leicht berechnen.
II. Nach wahren Wärmekapazitäten. (Unter Verwendung von Temperaturreihen)
Bei dieser Methode wird der Integrand der Wärmekapazität als Temperaturreihe geschrieben:
III. Nach Hochtemperaturkomponenten der Enthalpie. Diese Methode verbreitete sich mit der Entwicklung der Raketentechnologie bei der Berechnung der thermischen Auswirkungen chemischer Reaktionen während hohe Temperaturen. Es basiert auf der Definition der isobaren Wärmekapazität:
Hochtemperaturkomponente der Enthalpie. Sie gibt an, wie stark sich die Enthalpie eines einzelnen Stoffes ändert, wenn er um eine bestimmte Gradzahl erhitzt wird.
Für eine chemische Reaktion schreiben wir:
Auf diese Weise:
Vorlesung Nr. 3.
Vorlesungsübersicht:
1. II Hauptsatz der Thermodynamik, Definition, mathematische Notation.
2. Analyse des II. Hauptsatzes der Thermodynamik
3. Berechnung von Entropieänderungen in einigen Prozessen
Die Reaktionswärme (der thermische Effekt einer Reaktion) ist die Menge an Wärme Q, die während einer Reaktion freigesetzt oder absorbiert wird, wird die Reaktion als exotherm bezeichnet; wenn Wärme absorbiert wird, wird die Reaktion als endotherm bezeichnet.
Die Reaktionswärme wird nach dem ersten Hauptsatz (Hauptsatz) der Thermodynamik bestimmt, Der mathematische Ausdruck davon ist in seiner einfachsten Form für chemische Reaktionen die Gleichung:
Q = ΔU + ðΔV (2.1)
Dabei ist Q die Reaktionswärme, ΔU die Änderung der inneren Energie, p der Druck und ΔV die Volumenänderung.
Die thermochemische Berechnung besteht in der Bestimmung thermischer Effekt Reaktionen. Gemäß Gleichung (2.1) hängt der Zahlenwert der Reaktionswärme von der Art ihrer Umsetzung ab. In einem isochoren Prozess, der bei V=const durchgeführt wird, beträgt die Reaktionswärme Q V =Δ U, in einem isobaren Prozess bei p=const thermischer Effekt Q P =Δ H. Somit ist die thermochemische Berechnung V Bestimmen des Ausmaßes der Änderung der inneren Energie oder Enthalpie während einer Reaktion. Da die überwiegende Mehrheit der Reaktionen unter isobaren Bedingungen abläuft (z. B. sind dies alle Reaktionen in offenen Gefäßen, die bei auftreten). Luftdruck) wird bei thermochemischen Berechnungen fast immer die Berechnung von ΔH durchgeführt . WennΔ N<0, то реакция экзотермическая, если же Δ H>0, dann ist die Reaktion endotherm.
Thermochemische Berechnungen werden entweder nach dem Hessschen Gesetz durchgeführt, nach dem die thermische Wirkung eines Prozesses nicht von seinem Verlauf abhängt, sondern nur durch die Art und den Zustand der Ausgangsstoffe und Produkte des Prozesses bestimmt wird, oder, am häufigsten, a Folgerung aus dem Hessschen Gesetz: der thermische Effekt der Reaktion gleich der Summe Wärmen (Enthalpien) der Produktbildung abzüglich der Summe der Wärmen (Enthalpien) der Bildung von Reaktanten.
Bei Berechnungen nach dem Hessschen Gesetz werden Gleichungen von Hilfsreaktionen verwendet, deren thermische Auswirkungen bekannt sind. Das Wesen der Operationen in Berechnungen nach dem Hessschen Gesetz besteht darin, dass algebraische Operationen an den Gleichungen von Hilfsreaktionen durchgeführt werden, die zu einer Reaktionsgleichung mit unbekanntem thermischen Effekt führen.
Beispiel 2.1. Bestimmung der Reaktionswärme: 2СО + O 2 = 2СО 2 ΔН - ?
Wir verwenden die folgenden Reaktionen als Hilfsreaktionen: 1) C + O 2 = C0 2;Δ H 1 = -393,51 kJ und 2) 2C + O 2 = 2CO;Δ H 2 = -220,1 kJ, wobeiΔ N / AΔ H 2 - thermische Effekte von Hilfsreaktionen. Unter Verwendung der Gleichungen dieser Reaktionen ist es möglich, die Gleichung einer bestimmten Reaktion zu erhalten, wenn man die Hilfsgleichung 1) mit zwei multipliziert und Gleichung 2) vom erhaltenen Ergebnis subtrahiert. Daher ist die unbekannte Wärme einer gegebenen Reaktion gleich:
Δ H = 2Δ H 1 -Δ H 2 = 2(-393,51) - (-220,1) = -566,92 kJ.
Wenn eine Folgerung aus dem Hessschen Gesetz in einer thermochemischen Berechnung verwendet wird, dann wird für die Reaktion, die durch die Gleichung aA+bB=cC+dD ausgedrückt wird, die folgende Beziehung verwendet:
ΔH = (cΔNobr,s + dΔHobr D) - (aΔNobr A + bΔH rev,c) (2.2)
wobei ΔН die Reaktionswärme ist; ΔН o br - Bildungswärme (Enthalpie) der Reaktionsprodukte C und D bzw. der Reagenzien A und B; c, d, a, b – stöchiometrische Koeffizienten.
Die Bildungswärme (Enthalpie) einer Verbindung ist der thermische Effekt der Reaktion, bei der 1 Mol dieser Verbindung aus einfachen Substanzen gebildet wird, die sich in thermodynamisch stabilen Phasen und Modifikationen 1 * befinden. Zum Beispiel , Die Bildungswärme von Wasser im Dampfzustand ist gleich der Hälfte der Reaktionswärme, ausgedrückt durch die Gleichung: 2H 2 (g)+ O 2 (g)= 2H 2 O(g).Die Dimension der Bildungswärme beträgt kJ/mol.
Bei thermochemischen Berechnungen werden die Reaktionswärmen üblicherweise für Standardbedingungen bestimmt, für die Formel (2.2) die Form annimmt:
ΔН°298 = (сΔН° 298, arr. C + dΔH° 298, o 6 p , D) - (àΔН° 298, arr. A + bΔН° 298, arr. c)(2.3)
Dabei ist ΔН° 298 die Standardreaktionswärme in kJ (der Standardwert wird durch die hochgestellte „0“ angezeigt) bei einer Temperatur von 298 K und ΔН° 298,obR sind die Standardbildungswärmen (Enthalpien) ebenfalls bei einer Temperatur von 298K. ΔН°-Werte 298 .obR.werden für alle Verbindungen definiert und sind tabellarische Daten. 2 * - siehe Anhangtabelle.
Beispiel 2.2. Berechnung der Normwärme p e Anteile ausgedrückt durch die Gleichung:
4NH 3 (r) + 5O 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 O (g).
Gemäß der Folgerung des Hessschen Gesetzes schreiben wir 3*:
Δ N 0 298 = (4Δ N 0 298. o b p . Nein+6ΔH 0 298. dr.H20) - 4ΔH 0 298 arr. NH z. Wenn wir die tabellarischen Werte der Standardbildungswärmen der in der Gleichung dargestellten Verbindungen einsetzen, erhalten wir:Δ N °298= (4(90,37) + 6(-241,84)) - 4(-46,19) = - 904,8 kJ.
Ein negatives Vorzeichen für die Reaktionswärme weist darauf hin, dass der Prozess exotherm ist.
In der Thermochemie werden thermische Effekte üblicherweise in Reaktionsgleichungen angegeben. Solch Gleichungen mit einem bestimmten thermischen Effekt werden thermochemisch genannt. Zum Beispiel, Die thermochemische Gleichung der in Beispiel 2.2 betrachteten Reaktion lautet:
4NH 3 (g) + 50 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 0 (g);Δ Н° 29 8 = - 904,8 kJ.
Wenn die Bedingungen von den Standardbedingungen abweichen, ist dies in praktischen thermochemischen Berechnungen zulässig Xia mit Zoom:Δ N ≈Δ Н° 298 (2,4) Ausdruck (2.4) spiegelt die schwache Abhängigkeit der Reaktionswärme von den Bedingungen ihres Auftretens wider.
In der Thermochemie die Wärmemenge Q das als Folge einer chemischen Reaktion freigesetzt oder absorbiert wird thermischer Effekt. Reaktionen, die unter Freisetzung von Wärme ablaufen, nennt man exotherm (Q>0) und mit Wärmeaufnahme - endothermisch (Q<0 ).
In der Thermodynamik werden dementsprechend Vorgänge bezeichnet, bei denen Wärme freigesetzt wird exotherm und Prozesse, bei denen Wärme absorbiert wird - endothermisch.
Nach der Folgerung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Bei isochorisch-isothermen Prozessen ist der thermische Effekt gleich der Änderung der inneren Energie des Systems .
Da in der Thermochemie das umgekehrte Vorzeichen in Bezug auf die Thermodynamik verwendet wird, dann.
Bei isobar-isothermen Prozessen ist der thermische Effekt gleich der Enthalpieänderung des Systems .
Wenn D H > 0- Der Prozess erfolgt unter Aufnahme von Wärme und ist endothermisch.
Wenn D H< 0 - Der Prozess geht mit der Freisetzung von Wärme einher und ist exotherm.
Vom ersten Beginn der Thermodynamik strömt aus Hesssches Gesetz:
Die thermische Wirkung chemischer Reaktionen hängt nur von der Art und dem Zustand der Ausgangsstoffe ab und Endprodukte, hängt jedoch nicht vom Übergangspfad vom Anfangszustand zum Endzustand ab.
Eine Konsequenz dieses Gesetzes ist die Regel, dass Mit thermochemischen Gleichungen können Sie gewöhnliche algebraische Operationen durchführen.
Betrachten Sie als Beispiel die Reaktion der Kohleoxidation zu CO 2.
Der Übergang von Ausgangsstoffen zu Endstoffen kann durch die direkte Verbrennung von Kohle zu CO 2 erfolgen:
C (s) + O 2 (g) = CO 2 (g).
Der thermische Effekt dieser Reaktion beträgt Δ H 1.
Dieser Prozess kann in zwei Schritten durchgeführt werden (Abb. 4). In der ersten Stufe verbrennt Kohlenstoff entsprechend der Reaktion zu CO
C (t) + O 2 (g) = CO (g),
Beim zweiten Mal verbrennt CO zu CO 2
CO (t) + O 2 (g) = CO 2 (g).
Die thermischen Effekte dieser Reaktionen betragen jeweils Δ H 2 undΔ N 3.
Reis. 4. Schema des Prozesses der Verbrennung von Kohle zu CO 2
Alle drei Prozesse finden Breite Anwendung in der Praxis. Das Hesssche Gesetz ermöglicht es uns, die thermischen Auswirkungen dieser drei Prozesse mit der Gleichung in Beziehung zu setzen:
Δ H 1=Δ H 2 + Δ N 3.
Die thermischen Auswirkungen des ersten und dritten Prozesses lassen sich relativ leicht messen, die Verbrennung von Kohle zu Kohlenmonoxid bei hohen Temperaturen ist jedoch schwierig. Seine thermische Wirkung lässt sich berechnen:
Δ H 2=Δ H 1 - Δ N 3.
Δ-Werte H 1 und Δ H 2 hängen von der Art der verwendeten Kohle ab. Wert Δ N 3 hat nichts damit zu tun. Wenn ein Mol CO bei konstantem Druck und 298 K verbrannt wird, beträgt die Wärmemenge Δ N 3= -283,395 kJ/mol. Δ H 1= -393,86 kJ/mol bei 298 K. Dann bei 298K Δ H 2= -393,86 + 283,395 = -110,465 kJ/mol.
Das Hesssche Gesetz ermöglicht die Berechnung der thermischen Auswirkungen von Prozessen, für die keine experimentellen Daten vorliegen oder für die sie nicht gemessen werden können die richtigen Bedingungen. Dies gilt für chemische Reaktionen und für die Prozesse der Auflösung, Verdampfung, Kristallisation, Adsorption usw.
Bei der Anwendung des Hessschen Gesetzes sind folgende Bedingungen unbedingt zu beachten:
Beide Prozesse müssen wirklich identische Anfangszustände und wirklich identische Endzustände haben;
Sie sollten nicht nur gleich sein chemische Zusammensetzungen Produkte, sondern auch die Bedingungen ihrer Existenz (Temperatur, Druck usw.) und deren Aggregatzustand sowie bei kristallinen Stoffen die Kristallmodifikation.
Bei der Berechnung der thermischen Wirkungen chemischer Reaktionen auf der Grundlage des Hessschen Gesetzes werden üblicherweise zwei Arten thermischer Wirkungen verwendet – die Verbrennungswärme und die Bildungswärme.
Die Hitze der Entstehung nennt man den thermischen Effekt der Reaktion zur Bildung einer bestimmten Verbindung aus einfachen Stoffen.
Verbrennungswärme ist der thermische Effekt der Oxidationsreaktion einer bestimmten Verbindung mit Sauerstoff zur Bildung höherer Oxide der entsprechenden Elemente oder Verbindungen dieser Oxide.
Richtwerte für thermische Einwirkungen und andere Größen beziehen sich meist auf den Normzustand des Stoffes.
Als Standardzustand einzelne Flüssigkeit und Feststoffe nehmen ihren Zustand bei einer gegebenen Temperatur und einem Druck von einer Atmosphäre an, und für einzelne Gase ihren Zustand, wenn sie bei einer gegebenen Temperatur und einem gegebenen Druck von 1,01·10 5 Pa (1 atm) die Eigenschaften eines Ideals haben Gas. Um Berechnungen zu erleichtern, wird auf Referenzdaten verwiesen Standardtemperatur 298 K.
Wenn ein Element in mehreren Modifikationen existieren kann, wird die Modifikation als Standard verwendet, die bei 298 K und einem Atmosphärendruck von 1,01 · 10 5 Pa (1 atm) stabil ist.
Alle Größen, die sich auf den Normzustand von Stoffen beziehen, sind mit einem hochgestellten Zeichen in Form eines Kreises gekennzeichnet: 
. Bei metallurgischen Prozessen entstehen die meisten Verbindungen unter Freisetzung von Wärme, daher beträgt der Enthalpiezuwachs für sie . Für Elemente im Standardzustand ist der Wert .
Anhand von Referenzdaten für die Standardbildungswärmen der an der Reaktion beteiligten Stoffe können Sie den thermischen Effekt der Reaktion leicht berechnen.
Aus dem Hessschen Gesetz folgt:Der thermische Effekt der Reaktion ist gleich der Differenz zwischen den Bildungswärmen aller auf der rechten Seite der Gleichung angegebenen Stoffe(Endstoffe oder Reaktionsprodukte) und die Bildungswärmen aller auf der linken Seite der Gleichung angegebenen Stoffe(Ausgangsmaterialien) , genommen mit Koeffizienten, gleiche Koeffizienten vor den Formeln dieser Stoffe in der Reaktionsgleichung:
Wo N- die Anzahl der Mol der an der Reaktion beteiligten Substanz.
Beispiel. Berechnen wir den thermischen Effekt der Reaktion Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2. Die Bildungswärmen der an der Reaktion beteiligten Stoffe betragen: für Fe 3 O 4, für CO, für FeO, für CO 2.
Thermische Wirkung der Reaktion:
Da die Reaktion bei 298 K endotherm ist, d. h. kommt mit Wärmeabsorption.
Übung 81.
Berechnen Sie die Wärmemenge, die bei der Reduktion von Fe freigesetzt wird 2 O 3 metallisches Aluminium, wenn 335,1 g Eisen gewonnen wurden. Antwort: 2543,1 kJ.
Lösung:
Reaktionsgleichung:
= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 -(-822,1) = -847,7 kJ
Die Berechnung der Wärmemenge, die bei der Aufnahme von 335,1 g Eisen freigesetzt wird, erfolgt aus dem Verhältnis:
(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,
wobei 55,85 Atommasse Drüse.
Antwort: 2543,1 kJ.
Thermische Wirkung der Reaktion
Aufgabe 82.
Gasförmig Ethanol C2H5OH kann durch die Wechselwirkung von Ethylen C 2 H 4 (g) und Wasserdampf erhalten werden. Schreiben Sie die thermochemische Gleichung für diese Reaktion, nachdem Sie zunächst ihren thermischen Effekt berechnet haben. Antwort: -45,76 kJ.
Lösung:
Die Reaktionsgleichung lautet:
C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) = C2H 5 OH (g); = ?
Die Werte der Standardbildungswärmen von Stoffen sind in speziellen Tabellen angegeben. Bedenkt man, dass die Bildungswärmen einfacher Stoffe üblicherweise als Null angenommen werden. Berechnen wir den thermischen Effekt der Reaktion anhand einer Konsequenz des Hess-Gesetzes. Wir erhalten:
= (C 2 H 5 OH) – [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = - 45,76 kJ
Reaktionsgleichungen in denen über die Symbole Chemische Komponenten Ihre Aggregatzustände oder kristallinen Modifikationen werden angezeigt, ebenso wie der numerische Wert der thermischen Effekte, die als thermochemisch bezeichnet werden. In thermochemischen Gleichungen werden, sofern nicht ausdrücklich angegeben, die Werte der thermischen Effekte bei konstantem Druck Q p gleich der Enthalpieänderung des Systems angegeben. Der Wert wird normalerweise auf der rechten Seite der Gleichung angegeben, getrennt durch ein Komma oder Semikolon. Folgende Kurzbezeichnungen für den Aggregatzustand eines Stoffes werden akzeptiert: G- gasförmig, Und- flüssig, Zu
Wenn durch eine Reaktion Wärme freigesetzt wird, dann< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) = C 2 H 5 OH (g); = - 45,76 kJ.
Antwort:- 45,76 kJ.
Aufgabe 83.
Berechnen Sie den thermischen Effekt der Reduktionsreaktion von Eisen(II)-oxid mit Wasserstoff anhand der folgenden thermochemischen Gleichungen:
a) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO 2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/2O 2 (g) = CO 2 (g); = -283,0 kJ;
c) H 2 (g) + 1/2O 2 (g) = H 2 O (g); = -241,83 kJ.
Antwort: +27,99 kJ.
Lösung:
Die Reaktionsgleichung für die Reduktion von Eisen(II)oxid mit Wasserstoff hat die Form:
EeO (k) + H 2 (g) = Fe (k) + H 2 O (g); = ?
= (H2O) – [ (FeO)
Die Bildungswärme von Wasser ergibt sich aus der Gleichung
H 2 (g) + 1/2O 2 (g) = H 2 O (g); = -241,83 kJ,
und die Bildungswärme von Eisen(II)-oxid kann durch Subtrahieren von Gleichung (a) von Gleichung (b) berechnet werden.
=(c) - (b) - (a) = -241,83 – [-283,o – (-13,18)] = +27,99 kJ.
Antwort:+27,99 kJ.
Aufgabe 84.
Bei der Wechselwirkung von gasförmigem Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid entstehen Wasserdampf und Schwefelkohlenstoff CS 2 (g). Schreiben Sie die thermochemische Gleichung für diese Reaktion und berechnen Sie zunächst ihren thermischen Effekt. Antwort: +65,43 kJ.
Lösung:
G- gasförmig, Und- flüssig, Zu-- kristallin. Diese Symbole entfallen, wenn der Aggregatzustand der Stoffe offensichtlich ist, zum Beispiel O 2, H 2 usw.
Die Reaktionsgleichung lautet:
2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = ?
Die Werte der Standardbildungswärmen von Stoffen sind in speziellen Tabellen angegeben. Bedenkt man, dass die Bildungswärmen einfacher Stoffe üblicherweise als Null angenommen werden. Der thermische Effekt einer Reaktion kann mithilfe einer Folgerung des Hessschen Gesetzes berechnet werden:
= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.
2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = +65,43 kJ.
Antwort:+65,43 kJ.
Thermochemische Reaktionsgleichung
Aufgabe 85.
Schreiben Sie die thermochemische Gleichung für die Reaktion zwischen CO (g) und Wasserstoff, bei der CH 4 (g) und H 2 O (g) entstehen. Wie viel Wärme wird bei dieser Reaktion freigesetzt, wenn 67,2 Liter Methan gewonnen würden? normale Bedingungen? Antwort: 618,48 kJ.
Lösung:
Reaktionsgleichungen, in denen neben den Symbolen chemischer Verbindungen deren Aggregatzustand oder Kristallmodifikation sowie der Zahlenwert thermischer Effekte angegeben sind, werden als thermochemisch bezeichnet. In thermochemischen Gleichungen werden, sofern nicht ausdrücklich angegeben, die Werte der thermischen Effekte bei konstantem Druck Q p gleich der Enthalpieänderung des Systems angegeben. Der Wert wird normalerweise auf der rechten Seite der Gleichung angegeben, getrennt durch ein Komma oder Semikolon. Folgende Kurzbezeichnungen für den Aggregatzustand eines Stoffes werden akzeptiert: G- gasförmig, Und- etwas, Zu- kristallin. Diese Symbole entfallen, wenn der Aggregatzustand der Stoffe offensichtlich ist, zum Beispiel O 2, H 2 usw.
Die Reaktionsgleichung lautet:
CO (g) + 3H 2 (g) = CH 4 (g) + H 2 O (g); = ?
Die Werte der Standardbildungswärmen von Stoffen sind in speziellen Tabellen angegeben. Bedenkt man, dass die Bildungswärmen einfacher Stoffe üblicherweise als Null angenommen werden. Der thermische Effekt einer Reaktion kann mithilfe einer Folgerung des Hessschen Gesetzes berechnet werden:
= (H 2 O) + (CH 4) – (CO)];
= (-241,83) + (-74,84) – (-110,52) = -206,16 kJ.
Die thermochemische Gleichung lautet:
22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x = 67,2 (-206,16)/22?4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.
Antwort: 618,48 kJ.
Bildungswärme
Aufgabe 86.
Der thermische Effekt dieser Reaktion ist gleich der Bildungswärme. Berechnen Sie die Bildungswärme von NO anhand der folgenden thermochemischen Gleichungen:
a) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 O (l); = -1168,80 kJ;
b) 4NH 3 (g) + 3O 2 (g) = 2N 2 (g) + 6H 2 O (l); = -1530,28 kJ
Antwort: 90,37 kJ.
Lösung:
Die Standardbildungswärme ist gleich der Reaktionswärme der Bildung von 1 Mol dieses Stoffes aus einfachen Stoffen unter Standardbedingungen (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). Die Bildung von NO aus einfachen Stoffen lässt sich wie folgt darstellen:
1/2N 2 + 1/2O 2 = NEIN
Gegeben ist Reaktion (a), die 4 Mol NO erzeugt, und Reaktion (b), die 2 Mol N2 erzeugt. An beiden Reaktionen ist Sauerstoff beteiligt. Um die Standardbildungswärme von NO zu bestimmen, stellen wir daher den folgenden Hess-Zyklus zusammen, d. h. wir müssen Gleichung (a) von Gleichung (b) subtrahieren:
Somit ist 1/2N 2 + 1/2O 2 = NO; = +90,37 kJ.
Antwort: 618,48 kJ.
Aufgabe 87.
Kristallines Ammoniumchlorid entsteht durch die Reaktion von Ammoniak und Chlorwasserstoffgasen. Schreiben Sie die thermochemische Gleichung für diese Reaktion, nachdem Sie zunächst ihren thermischen Effekt berechnet haben. Wie viel Wärme wird freigesetzt, wenn bei der Reaktion 10 Liter Ammoniak verbraucht würden, berechnet unter Normalbedingungen? Antwort: 78,97 kJ.
Lösung:
Reaktionsgleichungen, in denen neben den Symbolen chemischer Verbindungen deren Aggregatzustand oder Kristallmodifikation sowie der Zahlenwert thermischer Effekte angegeben sind, werden als thermochemisch bezeichnet. In thermochemischen Gleichungen werden, sofern nicht ausdrücklich angegeben, die Werte der thermischen Effekte bei konstantem Druck Q p gleich der Enthalpieänderung des Systems angegeben. Der Wert wird normalerweise auf der rechten Seite der Gleichung angegeben, getrennt durch ein Komma oder Semikolon. Folgendes wurde akzeptiert: Zu-- kristallin. Diese Symbole entfallen, wenn der Aggregatzustand der Stoffe offensichtlich ist, zum Beispiel O 2, H 2 usw.
Die Reaktionsgleichung lautet:
NH 3 (g) + HCl (g) = NH 4 Cl (k). ; = ?
Die Werte der Standardbildungswärmen von Stoffen sind in speziellen Tabellen angegeben. Bedenkt man, dass die Bildungswärmen einfacher Stoffe üblicherweise als Null angenommen werden. Der thermische Effekt einer Reaktion kann mithilfe einer Folgerung des Hessschen Gesetzes berechnet werden:
= (NH4Cl) – [(NH 3) + (HCl)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.
Die thermochemische Gleichung lautet:
Die bei der Reaktion von 10 Litern Ammoniak in dieser Reaktion freigesetzte Wärme wird aus dem Verhältnis ermittelt:
22,4 : -176,85 = 10 : X; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.
Antwort: 78,97 kJ.
