Термохімія - Знаєш як
Мал. 107. Калориметрична бомба
Енергія при хімічних перетвореннях, як відомо, може виділятися або поглинатися в різних формах: у вигляді тепла, світла, електрики тощо. буд.
Для вимірювання теплових ефектів хімічних реакцій користуються спеціальними приладами, що називаються калориметрами. Найпростіший калориметр є посудиною з гарною термоізоляцією, наповнений точно зваженою кількістю води. Реакція проводиться в камері реакційної, поміщеної в калориметр. Тепло, що виділяється при реакції, передається воді, температура якої до і після реакції вимірюється чутливим термометром. Твір з величини підвищення температури на теплоємність води і калориметра служить мірою тепла, що виділяється при реакції.
У практичному відношенні особливо важливим є визначення кількості тепла, що виділяється при спалюванні різних речовин. Ці визначення виробляються за допомогою так званої калориметричної бомби (рис. 107), що є закритою посудиною, виготовленою з міцної сталі і здатна витримувати тиск в кілька десятків атмосфер.
Бомба міститься в калориметрі. Спалюється вносять в бомбу, наповнюють останню киснем під тиском і викликають реакцію за допомогою електричного запалу. Кількість тепла, що виділилося визначається за підвищення температури води в калориметрі.
Основний принцип, на якому ґрунтуються всі термохімічні розрахунки, встановлено українським академіком Г. І. Гессом у 1840 р. Цей принцип, відомий під назвою закону Гесса, може бути сформульований так:
Тепловий ефектреакції залежить тільки від початкового та кінцевого станів реагуючих речовин, але не залежить від проміжних стадій процесу.
Пояснимо це прикладом. Розведений розчин сульфату натрію Na2SO4 можна приготувати з сірчаної кислоти, їдкого натру та води різними способами, наприклад: 1) змішати розведений розчин, що містить дві грамолекули NaOH, з розчином, що містить одну грамолекулу H2SO4; 2) до розчину, що містить одну грамолекулу H2SO4, додати розчин, що містить одну грамолекулу NaOH, і таким чином отримати спочатку розчин кислої солі NaHSО4, потім до розчину кислої солі додати розчин ще однієї грамолекули NaOH.
Теплові ефекти реакцій, що відбуваються в цих двох випадках, такі:
Таким чином, загальна кількість тепла, що виділився при утворенні однієї грамолекули сульфату натрію, в обох випадках однаково, хоча у другому випадку реакція протікала у дві стадії.
Закон Гесса дає можливість обчислювати теплові ефекти реакцій у тих випадках, коли вони чомусь не можуть бути виміряні. Звичайний прийом, який застосовується при таких розрахунках, полягає у розбивці складної реакції на окремі стадії. Обчислення шуканого теплового ефекту засноване на тому, що загальна кількість тепла, що виділяється (або поглинається) при даній реакції, є сума алгебри кількостей тепла, що виділяються (або поглинаються) при послідовних стадіях реакції. При розрахунках треба завжди пам'ятати, що теплота утворення складної речовини із простих речовин дорівнює його теплоті розкладання, взятої зі зворотним знаком.
Хорошим прикладом застосування закону Гесса може бути обчислення теплоти утворення окису вуглецю з простих речовин — вугілля та кисню. Тепловий ефект цієї реакції не може бути визначений безпосередньо з досвіду, так як вугілля,згоряючи, перетворюється на вуглекислий газ, а не в окис вуглецю; але його можна розрахувати, знаючи теплоту утворення вуглекислого газу з вугілля і кисню (94 ккал) і теплоту згоряння окису вуглецю (67,6 ккал).
Реакція горіння вугілля виражається термохімічним рівнянням:
Розбиваємо цю реакцію на стадії, припускаючи, що вугілля згоряє до окису вуглецю, який потім, у свою чергу, згорає, утворюючи вуглекислий газ. Позначивши теплоту утворення окису вуглецю черезх,пишемо рівняння окремих стадій реакції і складаємо їх:
СО + (1:2) O2 = CO + xккал
CO + (1:2) O2 = CO2 + 67,6ккал
Порівнюючи отримане рівняння з написаним вище, ходимо:
х + 67,6ккал= 94ккал
Отже, теплотаосвітиокису вуглецю з вугілля та кисню дорівнює 26,4ккал.
Отриманий результат дуже цікавий. Він показує, що приєднання другого атома кисню до атома вуглецю супроводжується виділенням набагато більшої кількості тепла, ніж приєднання першого атома. Це можна пояснити тим, що з окисленні вуглецю передусім треба зруйнувати зв'язок між атомами вуглецю. На цю роботу витрачається більша частина тієї енергії, яка звільняється при з'єднанні атома вуглецю з першим атомом кисню, і лише енергія, що залишається , виділяється у вигляді тепла.
При згорянні вугілля в окис вуглецю виділяється трохи більше четвертої частини тієї кількості тепла, що дає повне згоряння вугілля. Звідси зрозуміло економічне значення повного згоряння палива. Присутність великої кількості окису вуглецю в димових газах, що випускаються на повітря, вказувало б на втрату значної частини тієї енергії, яка містилася в згорілому вугіллі.
Для засвоєннятермохімічних розрахунків обчислимо ще тепловий ефект реакції горіння метану СН4, виходячи з наступних даних: теплота утворення метану 17,9ккал,теплота утворення води 68,3ккалта теплота утворення вуглекислого газу 94ккал.
Позначивши потрібний тепловий ефект черезх,складаємо рівняння реакції горіння метану:
Розбиваємо реакцію на стадії. Уявімо, що метан спочатку розкладається на водень і вугілля, а потім вугілля і водень з'єднуються з киснем, утворюючи воду і вуглекислий газ. Враховуючи, що теплота утворення метану дорівнює 17,9ккалі, отже, при розкладанні його стільки ж тепла має поглинатися, складаємо рівняння для окремих стадій реакції та підсумовуємо їх:
Розібраний нами приклад обчислення теплового ефекту реакції є ілюстрацією наступного загального положення, що випливає із закону Гесса:
Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює сумі теплот утворення речовин, що виходять за вирахуванням, суми теплот освіти вступають в реакцію речовин.
Це положення дозволяє спростити багато термохімічних розрахунків. Так, наприклад, останнє завдання можна вирішити так. Склавши рівняння реакції горіння метану та позначивши шуканий тепловий ефект черезх,підписуємо під. формулами речовин значення їх теплот освіти:
х = 94'+2 • 68,3 -17,9 = 212,7ккал