Главная / Химия / Публікація «Методичне забезпечення викладання теми «Поняття про енергетику хімічних реакцій»

Публікація «Методичне забезпечення викладання теми «Поняття про енергетику хімічних реакцій»

Основні питання теми

Термохімія

Розділ хімії , що вивчає теплові ефекти хімічних реакцій називається термохімією. При протіканні будь-яких хімічних реакцій відбувається розрив хімічних зв'язків у вихідних речовинах і утворення хімічних зв'язків у продуктах реакції. Розрив хімічних зв'язків пов'язаний з витратами енергії, а утворення нових хімічних зв'язків призводить до виділення енергії. Суми енергій всіх розірваних і всіх утворених зв'язків не є рівними, тому всі реакції проходять або з виділенням, або з поглинанням енергії. Енергія може виділятися або поглинатися у вигляді звукових хвиль, світла, роботи розширення або стискання і т.п. У більшості випадків енергія хімічної реакції виділяється або поглинається у вигляді тепла. Так, горіння, сполучення металів з сіркою або хлором, нейтралізація кислот лугами супроводжуються виділенням значних кількостей теплоти. Навпаки, такі реакції як розкладання кальцій карбонату, утворення нітроген (II) оксиду з азоту і кисню, вимагають для свого протікання безперервної подачі теплоти ззовні і негайно ж призупиняються, якщо нагрівання припиняється. Зрозуміло, що ці реакції протікають з поглинанням теплоти. Виділення теплоти при взаємодії різних речовин змушує визнати, що ці речовини ще до реакції у прихованій формі мали певний запас енергії. Така форма енергії, прихована в речовинах, яка вивільняється при хімічних, а також при деяких фізичних процесах (конденсація пари в рідину, кристалізація рідини), називається внутрішньою енергією речовини.


Внутрішня енергія, теплота і робота

При проведенні хімічних реакцій внутрішня енергія системи U змінюється.

Внутрішня енергія системи - це загальний запас енергії, обумовлений усіма видами руху і взаємодій, які складають систему молекул, атомів, іонів і елементарних частинок.

Внутрішня енергія - функція стану системи. Внутрішню енергію не можна виміряти (мається на увазі її абсолютне значення ). Вона представляє здатність системи до здійснення роботи W або передачі теплоти Q. Можна визначити тільки зміну ΔU при переході з одного стану в інший.

ΔU=U2U1 ,

де U2 и U1 внутрішня енергія системи в кінцевому і початковому станах.

ΔU> 0, якщо внутрішня енергія системи зростає.

ΔU - функція стану, залежить від початкового і кінцевого стану системи, але не залежить від шляху протікання процесу.

Q - кількісна міра хаотичного руху частинок даної системи або тіла. Енергія переходить від більш до менш нагрітого тіла, перенесення речовини не відбувається. Вимірюється в Дж, кДж, МДж.

W - кількісна міра спрямованого руху часток, порція енергії переданої від однієї системи до іншої під дією тих чи інших сил, наприклад гравітаційних. Вимірюється в Дж , кДж , МДж.

Кількісне співвідношення між зміною внутрішньої енергії системи, теплотою і роботою встановлює перший закон термодинаміки:

Теплота, що підведена до системи, витрачається тільки на збільшення внутрішньої енергії системи і на здійснення нею роботи проти зовнішніх сил.

Q=ΔU+W

Це фундаментальний закон термодинаміки, він не може бути виведений з інших законів.

Перший закон термодинаміки - форма вираження закону збереження енергії: енергія не може ні створюватися, ні зникати, але може перетворюватися з однієї форми в іншу.

Наприклад, поява світла при горінні вугілля є наслідком того, що за рахунок виділеної в ході реакції теплоти, вугілля розжарюється і починає світитися. Внутрішня енергія перетворюється в випромінювання не безпосередньо, а через теплоту. Велике значення мають процеси взаємного перетворення внутрішньої і електричної енергії (гальванічний елемент). При реакціях, що протікають з вибухом, внутрішня енергія перетворюється в механічну - частиною безпосередньо, а частиною переходячи спочатку в теплоту. Здатність до переходу одних видів енергії в інші людина здавна використовує для власних потреб.

Серед різних джерел енергії, що використовуються на сьогоднішній день, органічному паливу відводиться головна роль (більш ніж 94% в масштабах всього світу). Всі процеси, пов'язані зі спалюванням органічних видів палива є джерелами забруднюючих речовин. Їх антропогенний вплив на навколишнє середовище може проявлятися на різних рівнях: локальному, регіональному та глобальному.

Для агрегатів, що працюють на твердому паливі, нормують тільки викиди СО. Так, при спалюванні антрациту, допустимий вміст СО становить 10 000 мг/м3, при спалюванні кам'яного і бурого вугілля з виходом летких сполук від 17% до 50% відповідно - 46000 мг/м3. Для агрегатів, що працюють на низькосортних видах палива таких як високозольне вугілля або вугілля з високим вмістом вологи, горючі сланці, торф, горючі міські відходи, відходи промисловості (деревообробної, целюлозно-паперової), сільськогосподарські відходи (солома, лушпиння, стебла соняшнику і т.п.), шлами і проміжні продукти збагачення кам'яного вугілля, призначені для технологічного споживання, деревині, стандарти зовсім відсутні. Функціонування цих агрегатів призводить до утворення різноманітних відходів і надходженню великої кількості забруднюючих речовин в усі природні середовища. Найбільш значущими видами викидів при спалюванні органічного палива є SO2, NOХ, СО, тверді часточки і парникові гази, такі як СО2. Інші речовини, наприклад, важкі метали, фтороводень, галоїдні сполуки, часточки вуглеводнів, які не згоріли, неметанові леткі органічні сполуки і діоксини викидаються в менших кількостях, але можуть мати значний вплив на стан навколишнього середовища через їх токсичність або стійкість.


Тепловий ефект хімічної реакції

Кількість теплоти, що виділяється або поглинається при протіканні хімічної реакції, називається тепловим ефектом реакції.

Тепловий ефект реакції, що протікає в умовах сталого тиску і сталої температури (р = const , T = const ), дорівнює зміні ентальпії системиН.

ЕнтальпіяН  це властивість речовини, що є мірою енергії, яка накопичується речовиною при утворенні. Часто ентальпію речовини називають його тепломісткістю. Розмірність ентальпії - кДж/моль.

Тепловий ефект хімічної реакції позначається символами Q або ΔH, причому їх значення однакові за величиною, але протилежні за знаком:

+Q = –ΔH.

РЕАКЦІЇ

Екзотермічні

Ендотермічні

протікають з виділенням теплоти в навколишнє середовище

протікають з поглинанням теплоти з навколишнього середовища

характеризуються позитивним тепловим ефектом (Q >0), та, відповідно, зменшенням ентальпії системи (ΔH <0)

характеризуються негативним тепловим ефектом (Q <0), та, відповідно, зростанням ентальпії системи (ΔH> 0)

2Mg + O2 = 2MgO + 1202кДж

N2 (г.) + О2 (г.) = 2NО (г.) – 180,7кДж

2Mg + O2 = 2MgO, ΔH = -1202кДж

N2(г.)+О2(г.) = 2NО(г.), ΔH=+180,7кДж


Тепловий ефект реакцій можна виміряти за допомогою спеціальних приладів - калориметрів. В якості основної одиниці виміру теплоти в системі СІ встановлений джоуль. В якості одиниці вимірювання теплоти раніше використовувалася також калорія, рівна 4,184Дж.

Термохімічні рівняння реакцій

Рівняння хімічних реакцій , в яких вказані зміни ентальпії (теплові ефекти реакцій), називаються термохімічними. При написанні термохімічних рівнянь обов’язково вказується агрегатний стан речовини. Тверда речовина, рідина і газ позначаються відповідними символами - (тв) , (р) і (г), тому що величина зміни ентальпії залежить від агрегатного стану реагуючих речовин і продуктів реакції.

Теплові ефекти реакцій виражають у килоджоулях (кДж) для одного моль реагенту або (рідше) для моль продукту реакції.

Наприклад, термохімічне рівняння реакції згоряння водню в кисні:

H2(г) + 1/2 O2(г) = H2О(р) + 286 кДж

показує, що на 1 моль водню, який окислився або на 1 моль утвореної води виділяється 286 кДж теплоти (Q = 286 кДж, Δ Н =  - 286 кДж). Ця реакція є екзотермічною і характеризується значним тепловим ефектом. Тому водень вважається ефективним паливом майбутнього.

Термохімічні рівняння підкоряються закону Лавуазьє-Лапласа:

тепловий ефект прямої реакції дорівнює за абсолютною величиною, але протилежний за знаком тепловому ефекту зворотної реакції.

Це означає, що при утворенні будь-якої сполуки виділяється (поглинається) стільки ж енергії, скільки поглинається (виділяється) при її розкладанні на вихідні речовини.

Наприклад, реакція горіння водню в кисні є екзотермічною:

H2(г) + 1/2 O2(г) = H2О(р) + 286 кДж (ΔH1 = – 286 кДж).

У той час як реакція розкладання води електричним струмом вимагає витрат енергії і є ендотермічною:

H2О(ж) hello_html_3f3bc63.gif H2(г) + 1/2 O2(г) 286 кДж (ΔH1 = + 286 кДж).

Закон Лавуазьє - Лапласа є наслідком закону збереження енергії.


Закон Гесса та його наслідки

В більшості термохімічних розрахунків використовується найважливіший закон термохімії - закон Гесса. Цей закон, встановлений російським ученим Г.І. Гессом в 1840р., називають також основним законом термохімії:

тепловий ефект хімічної реакції залежить тільки від початкового і кінцевого станів системи і не залежить від проміжних стадій процесу.

Наприклад, тепловий ефект реакції окислення вуглецю (графіт) в карбон ( IV) оксид не залежить від того, чи проводиться це окислення в одну стадію (при безпосередньому спалюванні вуглецю) до вуглекислого газу:

С(тв) + О2 (г) =СО2 (г) ,ΔH1 реакція 1,

чи реакція протікає через проміжну стадію утворення карбон (II) оксиду:

С(тв) + ½О2 (г) =СО (г) ,ΔH2 реакція 2

з наступним октсненням чадного газу в вуглекислий газ:

СО (г) + ½О2 (г) =СО2 (г) ,ΔH3 реакція 3.

Ці перетворення можна представити наступною схемою:

ΔH1

hello_html_m462f2614.gifhello_html_m3801aadc.gifhello_html_3dd07942.gifС(тв) СО2 (г)

ΔH2 ΔH3

СО (г)

В обох випадках система переходить з одного і того ж початкового стану (графіт) в один і той же кінцевий стан карбон (IV) оксид. Відповідно до закону Гесса тепловий ефект реакції 1 дорівнює сумі теплових ефектів реакцій 2 і 3:

ΔH1 = ΔH2 + ΔH3.

Використовуючи закон Гесса можна обчислити тепловий ефект проміжної стадії реакції, якщо відомі загальний тепловий ефект реакції і теплові ефекти її проміжних стадій.

Наприклад, безпосереднє експериментальне визначення теплового ефекту реакції окислення вуглецю в карбон ( II) оксид ΔH2(реакція 2) здійснити практично неможливо (при згорянні утворюється суміш оксидів). За відомими тепловими ефектами ΔH1(реакція 1) і ΔH3(реакція 3) за законом Гесса легко розрахувати тепловий ефект ΔH2 проміжної стадії (реакція 2):

ΔH2 = ΔH1 - ΔH3.

Перший наслідок закону Гесса.

Ентальпія (тепловий ефект) хімічної реакції дорівнює сумі ентальпій утворення продуктів реакції за вирахуванням суми ентальпій утворення вихідних речовин з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів реакції.

Якщо вихідні речовини і продукти реакції перебувають в стандартному стані, то ентальпію реакції називають стандартною і позначають ΔН0 або hello_html_m71beb879.gif. Верхній індекс відповідає стандартному тиску (101,3 кПа), нижній індекс відповідає стандартній температурі, прийнятої за міжнародною угодою, яка дорівнює 298 К.

Величина стандартної ентальпії реакції відповідає різниці між ентальпією вихідного і кінцевого станів системи:

ΔH0 =∑∆Нкон.- ∑∆Нисх

Стандартною ентальпією утворення речовини називається кількість теплоти, яка виділяється або поглинається при утворенні одного моль цієї речовини з простих речовин за стандартних умов (Р = 101,3кПа, T = 298К). Вона вимірюється в кДж/моль.

Теплота утворення простої речовини, в найбільш стійкій при стандартних умовах формі, приймається рівною 0.

Наприклад, стандартна ентальпія реакції:

aA + bB = сС + dD

визначається за формулою

ΔН0реакции =(с∆Н0С+ d∆Н0D) – (a∆Н0A+ b∆Н0B)

де ∆Н0 стандартна ентальпія утворення сполуки, значення якої наводиться у відповідних таблицях.

Другий наслідок закону Гесса.

Ентальпія (тепловий ефект) хімічної реакції дорівнює сумі ентальпій згоряння вихідних речовин за вирахуванням суми ентальпій згоряння продуктів реакції (з урахуванням коефіцієнтів):

ΔH0реакции = ∑∆Н0сгор. кон.- ∑∆Н0сгор. исх.

Стандартная энтальпия сгорания (теплота сгорания) (∆H0сгор.) – це теплота, що виділяється при згорянні 1 моль речовини в кисні при стандартних умовах з утворенням оксиду елемента у вищій ступені окислення . Теплота згоряння , віднесена до одиниці маси (кг) , чи об’єму (м3), називається питомою теплотою згоряння палива. Теплоти згорання негорючих речовин дорівнюють нулю.

Дані за величинами стандартних ентальпій утворення і згоряння багатьох речовин наводяться в довідкових термодинамічних таблицях .Два слідства з основного закону термохімії роблять термохімічні рівняння схожими на математичні.

У термохімічних рівняннях реакцій можна переносити члени з однієї частини в іншу, почленно складати, віднімати і скорочувати формули хімічних сполук. Однак , при цьому слід враховувати коефіцієнти в рівняннях реакцій і агрегатний стан речовин.



Приклади розв’язування типових задач (розрахунки за термохімічними рівняннями)

Задача 1. За наведеним термохімічним рівнянням добування амоніаку
N
2 (г)+ 3Н2 (г)→2NНз (г) , ∆Н = -92 кДж

обчисліть :
а ) кількість теплоти , що виділяється при утворенні 5 моль амоніаку ;
б) об’єм водню (н. у.), що прореагував, якщо під час реакції виділилося 607,2 кДж теплоти.
Розв'язання

а ) Термохімічне рівняння показує , що при утворенні 2 моль NНз виділяється 92 кДж теплоти. Отже , складаємо пропорцію:
5 моль - х кДж

2 моль - 92 кДж
Звідси х = 92∙5/2 = 230(кДж);
б) для складання пропорції можемо знову використовувати термохімічне рівняння:


х л 607,2 кДж
N
2 (г)+ 3Н2 (г)→2NНз (г), ∆Н = -92 кДж

3∙22,4 л
Обчислимо об'єм водню , при згорянні якого може виділитися 607,2 кДж теплоти:
х л - 607,2 кДж
67,2л - 92 кДж
х = 443,52 (л)
Відповідь: а) при утворенні 5 моль амоніаку виділяється 230 кДж теплоти , б) об’єм водню (н. у.), що прореагував, становить 443,52л .

Задача 2. Напишіть термохімічне рівняння розкладання гідроген пероксиду:

2H2O2(р) → 2H2O (г) + O2(г),

Коли відомо, що під час розкладання 20,4г H2O2 виділилось 30,42 кДж теплоти.

Розв'язання

Позначаємо тепловий ефект реакції х кДж і вносимо його в хімічне рівняння.

20,4г 30,42 кДж

2H2O2(р) → 2H2O (г) + O2(г), Н = -х кДж

2∙34г

Складаємо пропорцію та розв’язуємо її:

20,4г - 30,42 кДж

68г - х кДж

х = 68∙30,42/20,4 = 101,4(кДж)

Відповідь: 2H2O2 (р) → 2H2O (г) + O2 (г), Н = -101,4 кДж.

Задача 3. Розрахувати енергетичний ефект хімічної реакції в стандартних умова: Al2O3(к) + 3SO3(г) Al2(SO4)3). Ентальпії утворення сполук, які беруть участь у реакції:

ΔH0298, Al2(SO4)3 = -3434кДж/моль;

ΔH0298, Al2O3 = -1675 кДж/моль;

ΔH0298, SO3 = -395,2 кДж/моль;

Розв’язання. Ентальпія цієї реакції розраховується за формулою

ΔH0298,х.р. = ΔH0298, Al2(SO4)3 – (ΔH0298, Al2O3 + 3 ΔH0298, SO3).

ΔH0298,х.р. = -3434 + 1675 + 3∙395,2 = -573,4 кДж.

Відповідь: ентальпія системи в ході реакції зменшується, в цьому випадку енергія виділяється, реакція екзотермічна.



Задачі для самостійного розв’язування

  1. За термохімічним рівнянням: S + O2 SO2; H = -297кДж обчисліть, скільки теплоти виділиться під час згоряння сірки масою 64г.


  1. Термохімічне рівняння реакції горіння фосфору: P + O2→ P2O5; ∆H = - 1010кДж. Скільки теплоти виділиться при згорянні 6,2г фосфору?

  2. Термохімічне рівняння реакції розкладання вапняку: CaCO3→ CO2+ CaO; ∆H = +157кДж. Скільки теплоти витрачається на розкладання 200кг кальцій карбонату?


  1. За термохімічним рівнянням H2+ Cl2→ HCl; ∆H = -184кДж обчисліть, скільки теплоти виділиться, якщо в реакцію вступає водень об’ємом 5,6л (н. у.).


  1. Який об’єм кисню (н. у.) витрачається на згоряння вугілля, якщо при цьому виділилось 505кДж? Термохімічне рівняння: C + O2→ CO2; ∆H = - 402кДж.


  1. Термохімічне рівняння горіння метану: CH4+ O2→ CO2+ H2O; ∆H = - 892 кДж. Який об’єм карбон (IV) оксиду утворюється, якщо при цьому виділилось 1046,7 кДж?


  1. Для зварювання рейок за методом алюмотермії використовують суміш алюмінію та Fe3O4. Складіть термохімічне рівняння, якщо під час утворення 0,5кг заліза виділилось 3170кДж теплоти.


  1. Під час взаємодії 2,1 г заліза з сіркою виділилось 3,77кДж.

Обчисліть тепловий ефект реакції.

  1. Обчислити тепловий ефект реакції добування кальцій гідроксиду з кальцій оксиду і води, якщо стандартна ентальпія утворення кальцій оксиду дорівнює -635,7кДж/моль, стандартна ентальпія утворення води дорівнює -285,8кДж/моль, а стандартна ентальпія утворення кальцій гідроксиду дорівнює -986 , 8 кДж/моль.





Тести до теми


1 . Розділ хімії, що вивчає теплові ефекти хімічних реакцій називається:
а ) електрохімією; в) загальною хімією ;
б) термохимией; г) екологічної хімією.

2 . У більшості випадків енергія хімічної реакції виділяється або поглинається у вигляді:
а ) тепла; в) світла;
б) звуку; г) роботи проти зовнішніх сил.

3 . Форма енергії, що прихована в речовинах і яка вивільняється при хімічних, а також при деяких фізичних процесах називається:
а ) робота; в) внутрішня енергія;
б) енергія хімічних зв'язків; г) енергія зовнішніх сил.

4 . Кількісне співвідношення між зміною внутрішньої енергії системи, теплотою і роботою встановлює:
а ) закон збереження енергії; в) закон об'ємних відношень;
б) перший закон термодинаміки; г ) другий закон термодинаміки .

5 . Серед різних джерел енергії, що використовуються на сьогоднішній день, головна роль відводиться :
а ) органічному паливу; в) водню;
б) енергії стихій; г) Сонцю.

6 . Найбільш
значимими видами викидів при спалюванні органічного палива є:
а ) Н
2S , NO , СН4; в) SO2 , NOX , СО;
б) пари води; г) сажа.

7 . Кількість теплоти , що виділяється або поглинається при протіканні хімічної реакції, називається:
а ) фотохімічним ефектом; в) теплотою згоряння;
б) тепловим ефектом; г) теплотою утворення .

8 . Знайдіть відповідність:

Вид реакції

Характеристика

1 ) екзотермічна

2) ендотермічна

А) протікає з поглинанням теплоти з навколишнього середовища
Б ) протікає з виділенням теплоти в навколишнє середовище
В)ΔH<0
Г)ΔH > 0



9 . Одиницею вимірювання теплового ефекту є:
а ) К; б) Кл; в) Дж; г) Па.

10 . Рівняння хімічних реакцій , в яких вказані зміни ентальпії (теплові ефекти реакцій), називаються:
а ) фотохімічними; в) електрохімічними;
б) калориметричними; г) термохімічними .

11 . Доповніть формулювання :
а ) закон Гесса: ... ... хімічної реакції залежить тільки від початкового і кінцевого станів системи і не залежить від ... ... процесу;
б) перший наслідок закону Гесса: ентальпія (тепловий ефект) хімічної реакції дорівнює ... ... ... продуктів реакції за вирахуванням суми ентальпій утворення вихідних речовин з урахуванням ... ... реакції;
в ) другий наслідок закону Гесса: ... (тепловий ефект) хімічної реакції ... сумі ентальпій згоряння вихідних речовин за вирахуванням ... ентальпій згоряння ... ... (з урахуванням коефіцієнтів ).

12 . Питомою теплотою згоряння палива називається теплота згоряння, віднесена до :
а ) одиниці маси (кг); в) до площі (м2);
б) одиниці відстані (м); г) до об'єму (м3).

Відповіді на тести.
1 . Б
2 . А
3 . У
4 . Б
5 . А
6 . У
7 . Б
8 . 1 ) Б , В; 2 ) А , Г
9 . У
10 . Г
11 . а ) тепловий ефект хімічної реакції залежить тільки від початкового і кінцевого станів системи і не залежить від проміжних стадій процесу;
б) ентальпія (тепловий ефект) хімічної реакції дорівнює сумі ентальпій утворення продуктів реакції за вирахуванням суми ентальпій утворення вихідних речовин з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів реакції ;
в) ентальпія (тепловий ефект) хімічної реакції дорівнює сумі ентальпій згоряння вихідних речовин за вирахуванням суми ентальпій згоряння продуктів реакції (з урахуванням коефіцієнтів )
12 . А , Г


Список використаних літературних джерел.

  1. Авдєєнко А.П. Збірник завдань з неорганічної хімії / О.П.Авдієнко, Н.І.Євграфова. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - 256 с.

  2. Березан Ольга Збірник задач з хімії / О.В.Березан - Тернопіль: Підручники і посібники, 2009. – 320с.

  3. Будруджак П. Задачі зі хімії: Пер. з руминськ. / П. Будруджак - М.: Мир, 1989. – 343 с.

  4. Глінка Н.Л. Загальна хімія: навчальний посібник для вузів / Н.Л. Глінка Під ред. А.І. Єрмакова. - 30-е вид., Випр. - М.: 2003. - 728 с.

  5. Давидова Н.Г.Загальна хімія. Збірник завдань і вправ (частина 1) / Н.Г.Давидова, Т.С.Шепеленко, Т.В.Лапова. - Томськ: Вид-во Том. держ. архіт. - будуівн. ун-ту, 2008. - 203 с.

  6. Рибальченко В.С. Основи загальної хімії. Навчальний посібник для студентів нехімічних спеціальностей вищих навчальних закладів / В.С. Рибальченко. - М.: РГУ нафти і газу ім. І.М. Губкіна, 2011. - С. 448.




Публікація «Методичне забезпечення викладання теми «Поняття про енергетику хімічних реакцій»
  • Химия
Описание:

Добірка навчального матеріалу з теми «Хімічні реакції тазакономірності їх перебігу»; розділ «Поняття про енергетику хімічних реакцій. Закон збереження енергії, його значення для хімічних процесів. Перетворення енергії під час хімічних реакцій. Внутрішня енергія і тепловий ефект, поняття про ентальпію. Екзо- та ендотермічні реакції.Термохімічні рівняння. Закон Гесса. Розрахунки за термохімічними рівняннями.»

Розробка включає: виклад теоретичного матеріалу, приклади розв'язування задач, задачі для самостійного розв'язування, добірка тестів до даної теми.

Автор Зиброва Светлана Николаевна
Дата добавления 06.01.2015
Раздел Химия
Подраздел
Просмотров 553
Номер материала 36019
Скачать свидетельство о публикации

Оставьте свой комментарий:

Введите символы, которые изображены на картинке:

Получить новый код
* Обязательные для заполнения.


Комментарии:

↓ Показать еще коментарии ↓