Изобарные процессы и суть энтальпии
Большинство реальных химических процессов, включая жизнедеятельность биологических организмов, протекает при постоянном, чаще всего атмосферном, давлении. Такие процессы называются изобарными ($p = const$).
В этих условиях объем системы может изменяться, из-за чего совершается работа расширения или сжатия. Поэтому теплота процесса ($Q$) при постоянном давлении равна изменению не просто внутренней энергии ($U$), а именно энтальпии ($\Delta H$). Если химическая реакция свободно протекает без совершения полезной работы (например, без преобразования в электрическую энергию), то выделяющаяся теплота будет максимальной и численно равной изменению энтальпии.
Измерения и термохимические уравнения
Термохимия изучает тепловые эффекты реакций. На практике их измеряют в калориметрах. Например, в калориметрической бомбе точную навеску вещества сжигают в кислороде под давлением, а выделившаяся энергия нагревает окружающую воду. По изменению температуры воды вычисляют стандартную теплоту сгорания.
В термохимических уравнениях, помимо баланса масс, обязательно фиксируют энергетические изменения и фазовое состояние.
- Агрегатное состояние (г — газ, ж — жидкость, т(кр) — твердое кристаллическое) критически важно, так как от него зависит уровень энергии.
- Учитываются аллотропные модификации. Так, при горении 1 моль алмаза выделяется больше теплоты ($-395,4$ кДж), чем при горении графита ($-393,5$ кДж).
- Отрицательное значение энтальпии ($\Delta_r H^\circ < 0$) означает, что реакция экзотермическая и идет с выделением тепла.
Теплоты образования и сгорания
Для расчетов используются стандартизированные величины при $25^\circ C$ ($298,15 K$) и атмосферном давлении $101,3$ кПа:
- Стандартная теплота образования ($\Delta_f H^\circ$) — тепловой эффект синтеза 1 моль сложного вещества из простых.
- Стандартная теплота сгорания ($\Delta_c H^\circ$) — тепловой эффект полного окисления 1 моль вещества кислородом до высших оксидов. Исключением является азот, который выделяется как простой газ ($N_2$).
Часто процессы пересекаются. Горение простого вещества — это одновременно реакция образования его оксида. Например, теплота сгорания газообразного водорода численно совпадает с теплотой образования жидкой воды ($-285,8$ кДж/моль).
Применение закона Гесса
Закон Гесса незаменим для начисления тепловых эффектов реакций, которые не идут напрямую. Классический пример — синтез перекиси водорода ($H_2O_2$) из простых веществ. Этот процесс всегда идет с образованием смеси продуктов, поэтому теплоту считают многостадийным путем: через прямое горение водорода в воду и последующее вычитание теплоты разложения перекиси.
Существуют два главных следствия для быстрых расчетов:
- По теплотам образования: из суммы значений продуктов вычитают сумму значений реагентов.
- По теплотам сгорания: из суммы значений реагентов вычитают сумму значений продуктов.
Во всех формулах необходимо учитывать стехиометрические коэффициенты ($\nu$) из уравнения реакции.
Чтобы не путать формулы следствий из закона Гесса, запомните правило ОПРС: Образование — Продукты минус Реагенты. Со Сгоранием — наоборот.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему теплота образования простых веществ равна нулю?
В термохимии устойчивое состояние простых веществ при стандартных условиях условно принимается за базовый, нулевой уровень энергии. Это необходимо для создания точки отсчета при расчетах.
Как рассчитать теплоту реакции для произвольной массы вещества?
Реальная теплота прямо пропорциональна количеству вещества. Нужно стандартный тепловой эффект реакции умножить на отношение реального количества молей к стехиометрическому коэффициенту перед этим веществом в уравнении.
Можно ли применять теплоту образования ко всем реакциям?
Да, следствия из закона Гесса универсальны. Однако сама реакция образования (из простых веществ в одно сложное) может быть исключительно гипотетической и на практике не протекать.
Что ещё разобрать по теме
- Устройство и принцип работы калориметрической бомбы
- Математическое доказательство формул расчетов через термохимические циклы
- Влияние аллотропных модификаций на энтальпию на примере графита и алмаза
- Соотношение максимальной выделенной теплоты и совершения полезной работы
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Энтальпия и закон Гесса» и ещё 2 998 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 6. Закономерности протекания химических реакций»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.