Химия для чайников с нуля, основы химии | HIMI4KA
Oтзывы и предложения

Урок 21. Теплота образования

Нравится3

В уроке 21 «Теплота образования» из курса «Химия для чайников» рассмотрим что такое теплоты образования и откуда их брать; выясним, какие условия считаются стандартными, а также различия простых и сложных веществ; для закрепления полученных знаний решим пару задач, где используются теплоты образования и закон аддитивности теплот реакций. Будет неплохо, если перед прочтением данного урока, вы изучите материал про изменение энтальпии, а также про теплоты сгорания.

Теплота образования

Благодаря закону Гесса (закону аддитивности теплот реакций) нам совсем не нужно считать теплоты всех реакций; достаточно иметь сведения о теплОтах лишь того минимума реакций, из которых можно получить все остальные. Подобный минимум, принятый всеми учеными и инженерами, представляет собой теплоты образования соединений из входящих в них чистых элементов в стандартных состояниях. А что же такое: стандартные состояния?

Стандартное состояние вещества

Для кристаллических и жидких веществ стандартное состояние определяется как наиболее распространенная форма элемента при 25°С (298 К*) и внешнем давлении 1 атмосфера (атм); стандартное состояние газов определяется аналогичным образом, но при парциальном** давлении 1 атм. Вот например, стандартным состоянием углерода считается графит, а не алмаз.

 

* Кельвин (обозначение «К») – еще один показатель измерения температуры, наряду с Цельсия. Пока вам просто следует запомнить, что 0°С = 273 К, соответственно 1°С = 274 К, -1°С = 272 К, а -273°С = 0 К. Самой низкой температурой считается 0 К и называется абсолютным нулем.

** Парциальное давление - это давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре.

Простые и сложные вещества

Все вещества можно разделить на две обширные группы — простые и сложные вещества.
Простые вещества — это вещества, образованные из атомов одного элемента. Примеры простых веществ: молекулярные (O2, O3, H2, Cl2) и атомарные (He, Ar) газы; различные формы углерода, иод (I2), металлы (не в виде сплавов).

Сложные вещества (химические соединения) — это вещества, образованные атомами разных элементов. Так, оксид меди CuO образован атомами элементов меди Cu и кислорода O, вода H2O — атомами элементов водорода H и кислорода O.

Теперь вы понимаете различия простых веществ от сложных. Так вот, теплота образования простых веществ всегда равна нулю. Это, пожалуйста, запомните.

Стандартные теплоты образования

Вспомним прошлый урок, где мы пытались синтезировать алмаз. Теплоты образования всех веществ, участвующих в этом синтезе таковы:

  • C(графит) + 2H2(г.) → CH4(г.)  ΔH = -74,8 кДж (1)
  • C(графит) → C(алмаз)  ΔH = +1,9 кДж (2)
  • H2(г.) + ½O2(г.) → H2O(ж.)  ΔH = -285,8 кДж (3)

Как уже было отмечено выше, O2 относится к простым веществам, поэтому его теплота образования равна нулю. Таблицы стандартных теплот образования ΔH°298 соединений из чистых элементов приведена ниже под спойлером. В этой таблице нижний индекс 298 обозначает комнатную температуру (298 К = 25°С), а верхний индекс (знак градуса) означает, что реагенты и продукты находятся в своих стандартных состояниях. Однако не обязательно пользоваться записью ΔH°298, достаточно лишь написать ΔH.

 

Сейчас, на примере старой и доброй реакции (4) получения алмаза путем окисления метана, я покажу вам, как по теплотам образования веществ можно определить теплоту общей реакции. Это уравнение можно получить суммированием уравнения (2) с удвоенным уравнением (3) и обращенным уравнением (1):

  • C(графит) → C(алмаз)  ΔH = +1,9 кДж  (2)
  • 2H2(г.) + O2(г.) → 2H2O(ж.)  ΔH = -571,6 кДж  2×(3)
  • CH4(г.) → C(графит) + 2H2(г.)  ΔH = +74,8 кДж  -(1)

В итоге получаем:

  • CH4(г.) + O2(г.) → C(алмаз) + 2H2O(ж.)  ΔH = -494,9 кДж  (4)

Теплота реакции вычисляется точно таким же способом, просто из теплот образования продуктов реакции вычитаем теплоты образования реагентов, учитывая все коэффициенты:

  • ΔH = (+1,9) + 2(-285,8) - (-74,8) = -494,9 кДж

У кого возник вопрос, почему же мы не вычитаем теплоту образования кислорода, ответ ищите в таблице теплот образования.

 

Очевидно, что при таких вычислениях следует быть очень внимательным к знакам и коэффициентам. Чтобы не допустить ошибки, настоятельно рекомендую вам выписывать отдельно каждое уравнение с соответствующей теплотой реакции в таком виде, чтобы сумма всех индивидуальных уравнений давала требуемую реакцию. Если все коэффициенты какого-либо уравнения умножены на произвольное число n, на это же число n должна быть умножена соответствующая теплота образования, а если используется обращенное уравнение реакции образования, то следует изменить свой знак перед табличной величиной ΔH. Когда индивидуальные уравнения суммируются для получения требуемой реакции, сумма индивидуальных теплот образования дает искомую теплоту реакции. А теперь закрепим полученные знания примерами.

 

Пример 1. Чему равна стандартная теплота реакции восстановления оксида трехвалентного железа Fe2O3 углеродом С до железа Fe и моноксида углерода O, протекающей в доменной печи?

Решение:

Запишем уравнение реакции, указав под каждым веществом его стандартную теплоту образования:

  • Fe2O3(тв.) + 3C(графит) → 2Fe(тв.) + 3CO(г.)
  •    -822,1                0,0                 0,0          -110,5            ΔH, кДж·моль-1

Стандартная теплота образования простых элементов (С и Fe) по определению равна нулю. Стандартная теплота рассматриваемой реакции равна:

  • ΔH° = 2(0,0) + 3(-110,5) - (-822,1) - 3(0,0) = +490,6 кДж

Как видите, изменение энтальпии положительно, а значит реакция эндотермическая (поглощается тепло). Полученный результат согласуется с известным фактом, что при восстановлении железной руды до свободного железа необходимо подводить к реакционной системе большое количество теплоты. Отметим, однако, что 490,6 кДж - это теплота, которая поглощалось бы, если бы реакция проводилась при 298 К, а не при 1800 К, как это происходит в доменной печи. Получается, что наше решение неверно? Нет, оно абсолютно верно, просто тепловой эффект (+490,6 кДж) следует рассматривать как телоту, поглощаемую при нагревании оксида железа (III) и углерода от 298 до 1800 К, последующей реакции между ними и охлаждением снова до комнатной температуры 298 К. Изменение энтальпии, или теплота реакции, зависит только от исходного и конечного состояний участников реакции, а нет от того, остается ли температура постоянной или поднимается до уровня, достигаемого в доменной печи, и затем опускается снова. Важно лишь то, что в конце процесса, как и в его начале, температура имеет значение 298 К. Еще раз повторяю, ибо это очень важный момент: Когда мы ссылаемся на теплоты реакции и утверждаем, что полученные значения относятся к процессу, проводимой "при давлении 1 атм и 298 К", требуется только, чтобы реакция начиналась при этих условиях и продукты были приведены к этим условиям (1 атм и 298 К).

 

Пример 2. Определите теплоту сгорания жидкого бензола.

Решение:

Запишем полное уравнение реакции с указанием теплот образования всех участвующих в нем веществ:

  • 2C6H6(ж.) + 15O2(г.) → 12CO2(г.) + 6H2O(ж.)
  •     +49              0,0             -393,5           -285,8         ΔH, кДж·моль-1

Теплота этой реакции, как она записана (с 2 молями бензола), равна:

  • ΔH = 12(-393,5) + 6(-285,8) - 2(+49,0) - 15(0,0) = -6540 кДж

Следовательно, теплота сгорания 1 моля бензола должна быть равна половине этой величины, т.е. -3270 кДж·моль-1

 

Надеюсь урок 21 «Теплота образования» был не скучным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к уроку 22 «Закон сохранения».

Комментарии 0   Просмотров 1 777
Понравился урок? 3Нравится
Ваш комментарий: