Porozmawiajmy o tym, czym jest ciepło formowania, a także zdefiniujmy te warunki, które nazywamy standardami. Aby zrozumieć ten problem, poznamy różnice między substancjami prostymi i złożonymi. Aby skonsolidować pojęcie „ciepła tworzenia”, rozważ konkretne równania chemiczne.
Standardowa entalpia tworzenia substancji
W reakcji oddziaływania węgla z gazowym wodorem uwalniane jest 76 kJ energii. W tym przypadku liczba ta jest efektem termicznym reakcji chemicznej. Ale jest to również ciepło tworzenia cząsteczki metanu z prostych substancji. "Czemu?" - ty pytasz. Wynika to z faktu, że początkowymi składnikami były węgiel i wodór. 76 kJ / mol będzie energią, którą chemicy nazywają „ciepłem tworzenia”.
Tabele danych
W termochemii istnieje wiele tabel, które wskazują ciepło powstawania różnych substancji chemicznych z prostych substancji. Na przykład ciepło tworzenia substancji o wzorze CO2 w stanie gazowymma indeks 393,5 kJ/mol.
Wartość praktyczna
Dlaczego potrzebujemy tych wartości? Ciepło tworzenia to wartość, która jest używana podczas obliczania efektu cieplnego dowolnego procesu chemicznego. Do przeprowadzenia takich obliczeń wymagane będzie zastosowanie prawa termochemii.
Termochemia
Jest to podstawowe prawo, które wyjaśnia procesy energetyczne obserwowane w procesie reakcji chemicznej. Podczas interakcji obserwuje się przemiany jakościowe w układzie reagującym. Niektóre substancje znikają, zamiast nich pojawiają się nowe składniki. Takiemu procesowi towarzyszy zmiana wewnętrznego systemu energetycznego, która objawia się w postaci pracy lub ciepła. Praca związana z ekspansją ma minimalny wskaźnik przemian chemicznych. Ciepło uwalniane podczas przemiany jednego składnika w inny może być duże.
Jeśli weźmiemy pod uwagę różne przemiany, prawie we wszystkich występuje absorpcja lub uwalnianie pewnej ilości ciepła. Dla wyjaśnienia zachodzących zjawisk powstał specjalny dział - termochemia.
Prawo Hessa
Dzięki pierwszej zasadzie termodynamiki stało się możliwe obliczenie efektu termicznego w zależności od warunków reakcji chemicznej. Obliczenia opierają się na podstawowym prawie termochemii, czyli prawie Hessa. Podajemy jego formułę: efekt termiczny przemiany chemicznejzwiązane z naturą, początkowym i końcowym stanem materii, nie jest związane ze sposobem realizacji interakcji.
Co wynika z tego sformułowania? W przypadku uzyskania określonego produktu nie ma konieczności korzystania tylko z jednej opcji interakcji, możliwe jest przeprowadzenie reakcji na różne sposoby. W każdym razie, bez względu na to, w jaki sposób uzyskasz pożądaną substancję, efekt cieplny procesu będzie taki sam. Aby to określić, konieczne jest zsumowanie efektów cieplnych wszystkich przemian pośrednich. Dzięki prawu Hessa stało się możliwe wykonywanie obliczeń numerycznych wskaźników efektów cieplnych, co jest niemożliwe do przeprowadzenia w kalorymetrze. Na przykład ciepło tworzenia tlenku węgla oblicza się ilościowo zgodnie z prawem Hessa, ale nie da się go określić za pomocą zwykłych eksperymentów. Dlatego tak ważne są specjalne tabele termochemiczne, w których wprowadza się wartości liczbowe dla różnych substancji, określone w standardowych warunkach
Ważne punkty w obliczeniach
Zważywszy, że ciepło tworzenia jest efektem termicznym reakcji, stan skupienia danej substancji ma szczególne znaczenie. Na przykład podczas dokonywania pomiarów zwyczajowo uważa się grafit, a nie diament, za standardowy stan węgla. Pod uwagę brane są również ciśnienie i temperatura, czyli warunki, w jakich początkowo znajdowały się reagujące składniki. Te wielkości fizyczne mogą mieć znaczący wpływ na interakcję, zwiększać lub zmniejszać wartość energii. Do podstawowych obliczeńtermochemia, zwyczajowo używa się określonych wskaźników ciśnienia i temperatury.
Standardowe warunki
Ponieważ ciepło tworzenia substancji jest określeniem wielkości efektu energetycznego w standardowych warunkach, wyróżnimy je osobno. Wybrano temperaturę do obliczeń 298 K (25 stopni Celsjusza), ciśnienie - 1 atmosfera. Ponadto ważnym punktem, na który warto zwrócić uwagę, jest fakt, że ciepło tworzenia dowolnych prostych substancji wynosi zero. Jest to logiczne, ponieważ proste substancje nie tworzą się same, to znaczy nie ma nakładu energii na ich tworzenie.
Elementy termochemii
Ten dział współczesnej chemii ma szczególne znaczenie, ponieważ to tutaj przeprowadzane są ważne obliczenia, uzyskuje się konkretne wyniki, które są wykorzystywane w energetyce cieplnej. W termochemii istnieje wiele pojęć i terminów, które są ważne do działania w celu uzyskania pożądanych rezultatów. Entalpia (ΔH) wskazuje, że oddziaływanie chemiczne zachodziło w układzie zamkniętym, nie było wpływu na reakcję innych odczynników, ciśnienie było stałe. To wyjaśnienie pozwala nam mówić o dokładności wykonanych obliczeń.
W zależności od rodzaju reakcji, wielkość i znak wynikowego efektu termicznego mogą się znacznie różnić. Tak więc dla wszystkich przekształceń obejmujących rozkład jednej złożonej substancji na kilka prostszych składników zakłada się pochłanianie ciepła. Reakcjom łączenia wielu substancji wyjściowych w jeden, bardziej złożony produkt towarzyszą:uwalnianie znacznej ilości energii.
Wniosek
Rozwiązując dowolny problem termochemiczny, używany jest ten sam algorytm działań. Najpierw, zgodnie z tabelą, dla każdego składnika początkowego, a także dla produktów reakcji, określa się wartość ciepła tworzenia, nie zapominając o stanie skupienia. Ponadto, uzbrojeni w prawo Hessa, układają równanie, aby określić pożądaną wartość.
Szczególną uwagę należy zwrócić na uwzględnienie współczynników stereochemicznych, które istnieją przed substancjami początkowymi lub końcowymi w danym równaniu. Jeśli w reakcji występują proste substancje, ich standardowe ciepła tworzenia są równe zeru, to znaczy takie składniki nie wpływają na wynik uzyskany w obliczeniach. Spróbujmy wykorzystać otrzymane informacje na konkretną reakcję. Jeśli weźmiemy za przykład proces powstawania czystego metalu z tlenku żelaza (Fe3+) przez oddziaływanie z grafitem, to w podręczniku można znaleźć wartości standardowego ciepła formowania. Dla tlenku żelaza (Fe3+) będzie to –822,1 kJ/mol, dla grafitu (prostej substancji) jest równe zeru. W wyniku reakcji powstaje tlenek węgla (CO), dla którego wskaźnik ten ma wartość 110,5 kJ/mol, a dla uwolnionego żelaza ciepło tworzenia odpowiada zeru. Zapis standardowego ciepła powstawania danego oddziaływania chemicznego charakteryzuje się następująco:
ΔHo298=3× (–110,5) – (–822,1)=–331,5 + 822,1=490,6 kJ.
Analizaz liczbowego wyniku otrzymanego zgodnie z prawem Hessa możemy wyciągnąć logiczny wniosek, że proces ten jest przemianą endotermiczną, to znaczy wiąże się z wydatkami energetycznymi na reakcję redukcji żelaza z jego trójwartościowego tlenku.
