Изменение теплоты при Химических Реакциях

Предмет термохимия имеет дело с изменениями степени нагрева тела, сопровождающими химическими реакциями. Как было замечено, законы термохимии основаны в значительной степени на принципе сохранения энергии или первом законе термодинамики. Различные вещества имеют различную внутреннюю (химическую) энергию, так что полная энергия продуктов реакции в общем отличается от энергии реагирующих веществ; следовательно, химическая реакция будет сопровождаться выделением или поглощением энергии, которая может проявляться в форме нагрева. Если тепло выделяется в процессе реакции, процесс называют - экзотермическим, и если тепло поглощается, то эндотермическим. Большинство, хотя не все, химические реакции, которые происходят при обычных температурах - экзотермические по характеру, так как они сопровождаются выделением тепла. Если химическая реакция связана с изменением объема, что особенно свойственно многим процессам в смеси газов, величина изменения энергии будет зависеть от того, проведена ли реакция при постоянном давлении или при постоянном объеме. Так как большинство реакций обычно происходят при постоянном (атмосферном) давлении легко фиксировать изменения энергии, определяя значение qp – тепло, поглощенное при постоянном давлении; оно может, конечно, быть определено с ΔH – увеличение количества теплоты удовлетворяющее тем же самым условиям. Она часто упоминается как теплота выделившаяся при реакции; она представляет собой изменение степени нагрева продуктов реакции и реагентов, при постоянном давлении и при определенной температуре, с каждым веществом в определенном физическом состоянии. Значение qp (или ΔH) значение gv (или ΔE) могут быть с точностью определены, если изменение объема ΔV при постоянном давлении P известно, как будет замечено ниже.

Изменение теплоты, сопровождающее реакцию, например, между твердым углеродом (графитом) и газообразным кислородом, получается углекислый газ, что представлено в форме термохимического уравнения, следующим образом:

C (s) + 02 (g) = C0₂ (g)?

H = -94.00 ккал.

Это означает, что, когда 12.01 грамм твердого углеродистого (графита) и 32 грамма газообразного кислорода реагируют полностью, для получения 44.01 грамма газообразного диоксида углерода, при постоянном давлении, характерно уменьшение теплоты, так как ΔH отрицательна в 94 килокалории., т.е. 94,000 калории. Общая практика в современной термохимии заключается в том, чтобы выражать результаты в килокалориях, потому что определение изменения теплоты в калориях подразумевает, что экспериментально достижимая точность большее чем обычно. Нужно отметить, кстати, что значение ΔH (или ΔE) всегда относится к законченным реакциям.

Символы g, l , и s, помещенные в круглые скобки после формулы указывают, является ли вещество, принимающее участие в реакции газообразным, жидким или твердым. Реакции, имеющие место в водном решении обозначены символом aq; таким образом,

HCl (aq) + NaOH (aq) = NaCl (aq) + H₂O)

ΔH = 13.70 ккал.

Строго говоря использование aq подразумевает, что реакция встречается в таком растворенном состоянии, что дальнейшей добавление воды не вызывает никакое обнаружимое изменение теплоты.

Отрицательное значение ΔH, как в этих двух случаях, указанных выше, означает, что реакция сопровождается уменьшением количества теплоты; то есть теплота вступивших в реакцию веществ меньше чем в продуктах реакции при указанной температуре, другими словами, реакция при данной температуре проходит с выделением тепла. Это следует из того, что когда ΔH отрицательна, то есть реакция экзотермическая; или, если ΔH положительна, то процесс эндотермический. Те же самые заключения могут быть достигнуты непосредственно из факта, что qp, который является равным ΔH - теплота, поглощенная в реакции; следовательно, когда ΔH – отрицательная, теплота выделяется фактически.

Спонтанные Процессы

Второй закон термодинамики привел к результатам, которые значительны в химии, физике, но для химика большая ценность, вероятно, в том, что он обеспечивает возможности предсказывания, то есть, может ли специфическая реакция происходить, и если так до какой степени. Однако, термодинамика может только указывать, является ли реакция возможной или нет; другие соображения лежат вне термодинамики – это необходимость определить будет ли процесс протекать медленно или быстро. Даже с этим ограничением в памяти, нужно признать, что информация относительно фундаментальной возможности реакции, кроме ее скорости, имела бы большую цену для химика. Раньше считалось, что химические реакции всегда происходили спонтанно в направлении выделения теплоты, то есть, в направлении, ведущем к уменьшению в ΔH. Это заключение, однако, явно неправильно, так как очевиден факт, что много реакций, которые происходят спонтанно, как известно, происходят с поглощением теплоты.

Рассматриваемый вопрос приводит к проблеме понимания условий, при которых спонтанные процессы вообще происходят. Это удобно для того, чтобы исследовать некоторые физические процессы, которые имеют непосредственное проявление; полученные заключения, должны быть применимыми ко всем реакциям, которые имеют место без внешнего воздействия. Рассмотрим, например, брусок металла, который является горячим с одной стороны и холодным с другой; нагрев будет происходить неуправляемо по бруску с горячего конца к холодному концу, пока температура не станет однородной. Важно обратить внимание, что этот процесс полностью изменяется самостоятельно спонтанно; не наблюдалось, что металлический брусок однородной температуры спонтанно становится более горячим в одном конце и более холодным в другом.

Vocabulary

to accompany – сопровождать

a conservation – сохранение

an absorption – поглощение

exothermic – экзотермическая

endothermic – эндотермическая

to occur – происходить

to dilute – растворять

a extent – степень

to admit – допустить(признать)

to resolve – решать

amount - количество

acceptance - принятие

heat – нагрев, тепло

depend - зависеть

pressure - давление

increase - увеличение

represent - представлять

substance – вещество (сущность)

speed - скорость

particular – специфический