Урок 21. Теплота освіти

1. Стандартне стан речовини
2. Прості і складні речовини
3. Стандартні теплоти утворення

В уроці 21 «Теплота освіти» з курсу «Хімія для чайників» розглянемо що таке теплоти освіти і звідки їх брати; з'ясуємо, які умови вважаються стандартними, а також відмінності простих і складних речовин; для закріплення отриманих знань вирішимо пару завдань, де використовуються теплоти освіти і закон адитивності теплот реакцій. Буде непогано, якщо перед прочитанням даного уроку, ви вивчите матеріал про зміну ентальпії, а також про теплоти згорання.

Завдяки закону Гесса (закону адитивності теплот реакцій) нам зовсім не потрібно вважати теплоти всіх реакцій; досить мати відомості про теплоту лише того мінімуму реакцій, з яких можна отримати всі інші. Подібний мінімум, прийнятий усіма вченими і інженерами, являє собою теплоти утворення сполук з вхідних в них чистих елементів в стандартних станах. А що ж таке: стандартні стану?

Стандартне стан речовини

Для кристалічних і рідких речовин стандартний стан визначається як найбільш поширена форма елемента при 25 ° С (298 К *) і зовнішньому тиску 1 атмосфера (атм); стандартне стан газів визначається аналогічним чином, але при парціальному ** тиску 1 атм. Ось наприклад, стандартним станом вуглецю вважається графіт, а не алмаз.

* Кельвін (позначення «К») - ще один показник вимірювання температури, поряд з Цельсія. Поки вам просто слід запам'ятати, що 0 ° С = 273 К, відповідно 1 ° С = 274 К, -1 ° С = 272 К, а -273 ° С = 0 К. Найнижчою температурою вважається 0 До і називається абсолютним нулем.

** Парціальний тиск - це тиск, який мав би газ, що входить до складу газової суміші, якщо б він один займав об'єм, рівний об'єму суміші при тій же температурі.

Прості і складні речовини

Всі речовини можна розділити на дві великі групи - прості і складні речовини.
Прості речовини - це речовини, утворені з атомів одного елемента. Приклади простих речовин: молекулярні (O2, O3, H2, Cl2) і атомарні (He, Ar) гази; різні форми вуглецю, йод (I2), метали (не у вигляді сплавів).

Складні речовини (хімічні сполуки) - це речовини, утворені атомами різних елементів. Так, оксид міді CuO утворений атомами елементів міді Cu і кисню O, вода H2O - атомами елементів водню H і кисню O.

Тепер ви розумієте відмінності простих речовин від складних. Так ось, теплота утворення простих речовин завжди дорівнює нулю. Це, будь ласка, запам'ятайте.

Стандартні теплоти утворення

Згадаймо минулий урок, де ми намагалися синтезувати алмаз. Теплоти освіти всіх речовин, що беруть участь в цьому синтезі такі:

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

Як уже було відзначено вище, O2 відноситься до простих речовин, тому його теплота освіти дорівнює нулю. Таблиці стандартних теплот утворення ΔH ° 298 з'єднань з чистих елементів наведена нижче під спойлером. У цій таблиці нижній індекс 298 позначає кімнатну температуру (298 К = 25 ° С), а верхній індекс (знак градуса) означає, що реагенти і продукти знаходяться в своїх стандартних станах. Однак не обов'язково користуватися записом ΔH ° 298, достатньо лише написати ΔH.

Зараз, на прикладі старої і доброї реакції (4) отримання алмазу шляхом окислення метану, я покажу вам, як по теплотам освіти речовин можна визначити теплоту загальної реакції. Це рівняння можна отримати підсумовуванням рівняння (2) з подвоєним рівнянням (3) і повернений рівнянням (1):

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

В результаті отримуємо:

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

Теплота реакції обчислюється точно таким же способом, просто з теплот утворення продуктів реакції віднімаємо теплоти освіти реагентів, враховуючи всі коефіцієнти:

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

У кого виникло питання, чому ж ми не віднімаємо теплоту утворення кисню, відповідь шукайте в таблиці теплот освіти.

Очевидно, що при таких обчисленнях слід бути дуже уважним до знаків і коефіцієнтів. Щоб не допустити помилки, настійно рекомендую вам виписувати окремо кожне рівняння з відповідною теплотою реакції в такому вигляді, щоб сума всіх індивідуальних рівнянь давала необхідну реакцію. Якщо всі коефіцієнти якого-небудь рівняння помножені на довільне число n, на це ж число n має бути помножена відповідна теплота освіти, а якщо використовується спрямована рівняння реакції утворення, то слід змінити свій знак перед табличній величиною ΔH. Коли індивідуальні рівняння підсумовуються для отримання необхідної реакції, сума індивідуальних теплот освіти дає шукану теплоту реакції. А тепер закріпимо отримані знання прикладами.

Приклад 1. Чому дорівнює стандартна теплота реакції відновлення оксиду тривалентного заліза Fe2O3 вуглецем С до заліза Fe і моноксиду вуглецю O, що протікає в доменній печі?

Рішення:

Запишемо рівняння реакції, вказавши під кожним речовиною його стандартну теплоту освіти:

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

Стандартна теплота освіти простих елементів (С і Fe) за визначенням дорівнює нулю. Стандартна теплота розглянутої реакції дорівнює:

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

Як бачите, зміна ентальпії позитивно, а значить реакція ендотермічна (поглинається тепло). Отриманий результат узгоджується з відомим фактом, що при відновленні залізної руди до вільного заліза необхідно підводити до реакційної системі велику кількість теплоти. Відзначимо, однак, що 490,6 кДж - це теплота, яка поглиналося б, якби реакція проводилася при 298 К, ​​а не при 1800 К, як це відбувається в доменній печі. Виходить, що наше рішення невірно? Ні, воно абсолютно вірно, просто парниковий ефект (+490,6 кДж) слід розглядати як телоти, що поглинається при нагріванні оксиду заліза (III) і вуглецю від 298 до 1800 К, подальшої реакції між ними і охолодженням знову до кімнатної температури 298 К. зміна ентальпії, або теплота реакції, залежить тільки від початкового і кінцевого станів учасників реакції, а немає від того, чи залишиться температура постійної або піднімається до рівня, що досягається в доменній печі, і потім опускається знову. Важливо лише те, що в кінці процесу, як і в його початку, температура має значення 298 К. Ще раз повторюю, бо це дуже важливий момент: Коли ми посилаємося на теплоти реакції і стверджуємо, що отримані значення відносяться до процесу, що проводиться «при тиску 1 атм і 298 к », потрібно тільки, щоб реакція починалася при цих умовах і продукти були приведені до цих умов (1 атм і 298 к).

Приклад 2. Визначте теплоту згоряння рідкого бензолу.

Рішення:

Запишемо повне рівняння реакції із зазначенням теплот освіти всіх що у ньому речовин:

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

Теплота цієї реакції, як вона записана (з 2 молями бензолу), дорівнює:

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

Отже, теплота згоряння 1 благаючи бензолу повинна бути дорівнює половині цієї величини, тобто -3270 кДж · моль-1.

Сподіваюся урок 21 «Теплота освіти» був не нудним. Якщо у вас виникли питання, пишіть їх в коментарі.