A . Atmosférický tlak zvyčajne zohráva úlohu konštantného tlaku. Entalpia, podobne ako vnútorná energia, je funkciou stavu.Vnútorná energia je súčtom kinetických a potenciálnych energií celého systému. Je základom pre rovnicu entalpie. Entalpia je súčet tlaku vynásobený objemom systému a rovná sa: H = U + pV, kde p je tlak v systéme, V je objem systému. Vyššie uvedený vzorec sa používa na výpočet entalpie v prípad, keď sú uvedené všetky tri hodnoty: tlak, objem a vnútorná energia. Nie vždy sa však entalpia počíta týmto spôsobom. Okrem toho existuje niekoľko ďalších spôsobov výpočtu entalpie.
Pri znalosti voľnej energie a entropie je možné vypočítať entalpiu. Voľná energia alebo Gibbsova energia je časť entalpie systému vynaložená na premenu na prácu a rovná sa rozdielu medzi entalpiou a teplotou vynásobenému entropiou: ΔG = ΔH-TAS (ΔH, ΔG, ΔS - prírastky hodnoty) Entropia v tomto vzorci je mierou neusporiadanosti častíc systému. Zvyšuje sa so zvyšujúcou sa teplotou T a tlakom. Na ΔG<0 процесс идет самопроизвольно, при ΔG>0 - nefunguje.
Okrem toho sa entalpia vypočítava aj z rovnice chemickej reakcie. Ak je uvedená rovnica chemickej reakcie v tvare A+B=C, potom entalpiu možno určiť podľa vzorca: dH=dU+ΔnRT, kde Δn=nk-nн (nk a nn sú počet mólov reakčných produktov a východiskové látky) Pri izobarickom procese sa entropia rovná výmennému teplu v systéme: dq = dH Pri konštantnom tlaku sa entalpia rovná: H = ∫ СpdT V prípade, že sa faktory entalpie a entropie navzájom vyrovnávajú, prírastok entalpie sa rovná súčinu teploty a prírastku entropie: ΔH = TΔS
Zdroje:
- ako vypočítať zmenu entropie v reakcii
Akákoľvek chemická reakcia je sprevádzaná buď uvoľňovaním alebo absorpciou energie, zvyčajne vo forme tepla. Toto teplo sa dá kvantitatívne merať. Výsledná hodnota, meraná v kilojouloch/mol, je tepelný účinok reakcie. Ako sa to počíta?
Inštrukcie
V laboratórnej praxi sa na výpočet tepla používajú špeciálne prístroje nazývané kalorimetre. Jednoducho povedané, možno si ich predstaviť ako nádoby s tesne priliehajúcim vekom, naplnené vodou a vrstvou izolačného materiálu (aby sa zabránilo vonkajšiemu zahrievaniu alebo teplu). Nádoba, v ktorej dochádza k nejakej chemickej premene, a teplomer sú umiestnené vo vode.
Pred spustením zmerajte teplomerom teplotu vody reakcie a po jeho ukončení. Zapíšte výsledok. Označte počiatočnú teplotu ako t1, konečnú teplotu ako t2.
Keď poznáte hmotnosť vody v kalorimetri (m), ako aj jej špecifickú tepelnú kapacitu (c), môžete ľahko určiť množstvo tepla uvoľneného (alebo absorbovaného) počas chemickej reakcie pomocou nasledujúceho vzorca: Q = mc (t2 – t1)
Samozrejme nie je možné úplne eliminovať výmenu tepla medzi kalorimetrom a okolím, ale v drvivej väčšine prípadov to má na výsledok taký nepodstatný vplyv, že sa dá zanedbať malá chyba.
Tepelný účinok reakcie môžete vypočítať bez použitia kalorimetra. Aby ste to dosiahli, musíte poznať teplo tvorby všetkých reakčných produktov a všetkých východiskových látok. Stačí zrátať formovacie tepla produktov (samozrejme s prihliadnutím na koeficienty), potom formovacie tepla východiskových látok (v tomto prípade platí aj poznámka o koeficientoch) a potom odpočítajte druhú od prvej hodnoty. Získaným výsledkom bude veľkosť tepelného účinku tejto reakcie.
Video k téme
Užitočné rady
Ak je uvoľnená energia väčšia ako vynaložená energia, reakcia sa nazýva exotermická. Ak je vynaložená energia väčšia ako uvoľnená energia, reakcia sa nazýva endotermická.
Zdroje:
- Rovnica izotermy chemickej reakcie
Tepelný efekt termodynamického systému sa objavuje v dôsledku výskytu chemickej reakcie v ňom, ale nie je jednou z jeho charakteristík. Túto hodnotu je možné určiť len pri splnení určitých podmienok.
Inštrukcie
Pojem termické a úzko súvisí s pojmom entalpia termodynamického systému. Ide o tepelnú energiu, ktorá sa pri dosiahnutí určitej teploty a tlaku môže premeniť na teplo. Táto hodnota charakterizuje rovnovážny stav systému.
Entalpia. Tento prvokja-
dSchémam som venoval samostatnú tému, pretože pre mňa bol tento prvok spomedzi ostatných najmenej zrozumiteľný ( teplota, obsah vlhkosti a relatívna vlhkosť) a vyžadujúce si analýzu iných súvisiacich konceptov.
Budem duplikovať kresbu z predchádzajúceho článku :
Nebudem zachádzať hlboko do terminológie, poviem len, že entalpiu vzduchu chápem ako energiu, ktorú v sebe ukladá určitý objem vzduchu. Táto energia je potenciálna, to znamená, že v rovnováhe vzduch touto energiou neplytvá a neabsorbuje ju z iných zdrojov.
Nebudem ani uvádzať príklad na objasnenie mojej definície ( hoci som chcel), pretože to podľa mňa zmätie a vyvedie z omylu.
Priamo k veci – čo je hlavné, čo si môžeme vziať z entalpie? - odpovedám - energia ( alebo množstvo tepla), ktorý sa musí preniesť do vzduchu, aby sa zohrial, alebo odobrať, aby sa ochladil ( alebo odtok).
Máme napríklad úlohu – vypočítať, aký výkon potrebujeme ohrievač, aby na jeseň alebo na jar dodal do miestnosti 1200 m3/h vonkajšieho vzduchu ohriateho na teplotu plus 20 stupňov. Odhadovaná teplota vonkajšieho vzduchu v prechodnom období je plus 10 stupňov s entalpiou 26,5 kJ/kg ( podľa SP 60.13330.2012).
Problém sa dá jednoducho vyriešiť. Aby sme takýto jednoduchý problém vyriešili pomocou i-d diagramu, musíme do úrovne porozumenia zaviesť jednotky merania niektorých fyzikálnych veličín:
1) Entalpia - kiloJoule/kilogram. Teda množstvo potenciálnej energie v jednom kilograme vzduchu. Všetko je tu jednoduché - ak je entalpia 20, potom to znamená, že v jednom kilograme tohto vzduchu je 20 kilojoulov potenciálneho tepla alebo 20 000 joulov.
2) Výkon ohrievača - Watty, ale súčasne možno watty rozložiť na Joule/sekundu. To znamená, koľko energie dokáže ohrievač vyrobiť za jednu sekundu. Čím viac energie nám ohrievač dokáže dať za sekundu, tým je výkonnejší. A tu je všetko jednoduché.
Takže, zoberme sija- ddiagram a umiestnite naň bod vonkajšieho vzduchu. Potom nakreslite rovnú čiaru ( vzduch sa ohrieva bez zmeny obsahu vlhkosti).
Chápeme pointuj- ddiagram s teplotou plus 20 stupňov a entalpiou 36,5 kJ/kg. Vynára sa otázka – čo by sme, do pekla, mali ďalej robiť s touto prekliatou informáciou?! :)
Najprv si všimnime, že všetky operácie sme vykonali s jedným kilogramom vzduchu ( to sa nepriamo prejavuje v jednotke entalpie kJ/ kg ).
Po druhé, mali sme kilogram vzduchu s 26,5 kJ a stali sme sa s 36,5 kJ potenciálnej energie. To znamená, že kilogram vzduchu dostal 10 kJ, aby jeho teplota stúpla z plus 10 stupňov na plus dvadsať.
Ďalej prevedieme 1200 m 3 /h na kg/s( kilogramov za sekundu, pretože na ja - d graf používa tieto merné jednotky ), vynásobením 1200 x 1,25 kg/m 3 ( jeden kubický meter desaťstupňového vzduchu váži 1,25 kilogramu), čo nám dá 1500 kg/h, a potom vydelíme 3600 ( dávajte pozor na logiku prekladu medzi systémami - delíme 3600 nie preto, že sme si to zapamätali alebo zapamätali, ale preto, že za sekundu cez nás vzduch prejde za menej ako hodinu, 3600 krát menej) dostaneme výsledok 0,417 kg/s.
Pokračuj. Zistili sme, že za jednu sekundu prejde 0,417 kg vzduchu. A vieme, že každý kilogram treba preniesť ( ohlásiť) 10 kJ, aby sa zohriala na teplotu plus 20 stupňov. Uvádzame tak, že 0,417 kg/s vynásobíme 10 kJ/kg a získame 4,17 kJ/s ( kilogramov ubudlo) alebo 4170 J/s, čo sa rovná 4170 W ( nami definované vyššie v texte). Tak sme dostali výkon nášho ohrievača.
Kondicionovanie
Chladenie prebieha na rovnakom princípe, ale je len trochu komplikovanejšie kvôli uvoľňovaniu vlhkosti zo vzduchu.
Uvoľňovanie vlhkosti ( kondenzát) zo vzduchu nastáva, keď teplota vzduchu počas chladenia dosiahne rosný bod na čiare relatívnej vlhkosti 100 %. V predchádzajúcom článku som opísal tento proces:
Zdá sa, že nie je nič zložité - vzduch ochladzujeme s teplotou plus 20 stupňov a relatívnou vlhkosťou 50% na plus 12 stupňov ( ako sa to zvyčajne stáva v rozdelených systémoch), nakreslite priamku zvisle nadol od bodu 20 stupňov vzduchu do bodu 12 stupňov vzduchu.
A to, čo vidíme, nie je uvoľňovanie vlhkosti. Obsah vlhkosti zostal na rovnakej úrovni – 8 g/kg. Vieme však, že keď je klimatizácia v prevádzke, uvoľňuje sa veľa vlhkosti ( kondenzát aktívne kvapká z drenážneho potrubia vedúceho na fasádu budovy) - túto skutočnosť potvrdzujú opakované pozorovania ľudí prechádzajúcich sa po letných uliciach.
Vynára sa otázka - odkiaľ pochádza vlhkosť? Odpoveď: skutočnosťou je, že cez vnútornú jednotku klimatizácie prechádzajú medené rúrky, ktoré sú chladivom ochladzované na teploty pod plus 12 stupňov, a preto sa ochladený vzduch rozdeľuje na vrstvy s rôznymi teplotami, približne ako na obrázku nižšie ( Predpokladajme, že rúrky sú ochladené na plus 5 stupňov). Hneď poviem, že toto je kresba, ktorá je ďaleko od reality, ale ukazuje všeobecný význam slov, ktoré som povedal vyššie ( prosím, nevyčítaj mi ho)
Preto zo vzduchu, ktorý prichádza do kontaktu s rúrkami ( a plutvy) a vlhkosť vypadne. A ten vzduch, ktorý nestihol vychladnúť na rosný bod, alebo sa ochladil, no vyhýbal sa kontaktu s ochladzovaným povrchom, obchádza proces uvoľňovania vlhkosti a nesie rovnaké množstvo vlhkosti ako pred ochladením ( v skutočnosti).
Aby sa v takomto chladiči vykonal správny priamy proces chladenia vzduchom ( kde je teplota chladiva pod teplotou rosného bodu), treba brať do úvahy každý prúd vzduchu s inými tepelnými a vlhkostnými parametrami vzduchu a nájsť na grafe miesta zmiešavania všetkých týchto prúdov - čo podľa mňa nie je reálne ( Len na to nemám rozum)! Ale…
Dospel som k tomuto rozhodnutiu ( Asi nie som jediný) - mame teplotu nasavaneho vzduchu, je tam teplota chladiva a tam je teplota prijateho vzduchu a verim, ze nam to staci urobit si ciaru pre proces ochladzovania casti vzduchu. na plus 5 stupňov a nájdite bod zmiešania 5 stupňového vzduchu a 20 stupňového vzduchu. To znamená, predpokladám, že pri prechode vnútornou jednotkou klimatizácie sa vzduch rozdelí na dva prúdy - ten, ktorý je ochladený na plus päť stupňov a dáva nám najväčšie množstvo vlhkosti, a ten, ktorý nie je ochladzovaný. vôbec a na výstupe sa tieto dva prúdy miešajú a tvoria prúd vzduchu s teplotou plus 12 stupňov a určitým obsahom vlhkosti.
Verím, že na dosiahnutie cieľov, ktoré sledujem, je výsledok získaný takýmto zjednodušením úplne postačujúci. Aké ciele sledujem?
Prvým cieľom je určiť maximálne uvoľnenie vlhkosti s cieľom vypočítať systém odvodu kondenzátu ( To platí najmä pre klimatizačné systémy, ktoré obsahujú dve alebo viac chladiacich jednotiek)
Druhým cieľom je vziať do úvahy množstvo chladu použitého na prenos vody z plynného skupenstva do kvapalného ( na kondenzáciu vlhkosti; tzv skrytý chladiaci výkon ). To platí najmä pri chladení ( odvod tepla) vo vlhkých priestoroch. Napríklad z určitého čerpadla potrebujeme odobrať 2 kW tepla, ktoré vypustí do miestnosti. Ak neberieme do úvahy, že miestnosť je vlhká ( mokré, z nejakého dôvodu) a nainštalujte do miestnosti 2,5 kW split systém, potom môžeme získať ( za určitých podmienok), že split systém spotrebuje 1 kW len na premenu pary na vlhkosť a zvyšných 1,5 kW minie na odvádzanie prebytočného tepla, čo je o 500 W menej, ako je potrebné, a čo môže viesť k prehriatiu čerpadla a jeho predčasnému zlyhaniu.
Tok teda rozdelíme na dva toky, z ktorých jeden sa ochladí na plus päť - segment 1-2 a druhý zostane nedotknutý - bod 1.
Zmiešame tieto dva toky, spojíme výsledné body priamky 1-3-2 a nájdeme náš 12-stupňový bod na výslednej priamke.
Ponecháme priamku 1-3 ako čiaru pre proces ochladzovania vzduchu v suchom chladiči z teploty plus 20 stupňov na plus 12 stupňov s uvoľňovaním kondenzátu.
Za účelom zistite množstvo kondenzátu, ktorý spadol na rebrá a rúrky chladiča musíme odpočítať vlhkosť výsledného vzduchu od vlhkosti neupraveného vzduchu 7,3 g/kg - 6,3 g/kg. Výsledkom je, že na každý kilogram vzduchu, ktorý prejde chladičom, sa uvoľní 1 gram kondenzátu. Na zistenie prietoku kondenzátu potrebujeme vedieť, koľko kilogramov vzduchu prejde výmenníkom tepla za určitý čas. Napríklad, ak potrebujeme ochladiť 1400 m 3 /h vzduchu z teploty plus 20 stupňov s relatívnou vlhkosťou 50% na teplotu plus 12 stupňov, potom prevedieme 1400 m 3 / h na 1680 kg / h a zistíte, že počas jednej hodiny úpravy vzduchu sa 1680 gramov kondenzátu ( jeden gram na každý kilogram vzduchu), čo sa rovná 0,47 g/s ( gram/sekundu) a 0,47 x 10-3 kg/s.
Plný chladiaci výkon sa nachádza rovnakým spôsobom, ako sme predtým hľadali vykurovací výkon ohrievača. Zoberieme počiatočnú entalpiu 28 kJ/kg, odpočítame od nej koncovú entalpiu 38,5 kJ/kg, čím dostaneme záporné číslo 10,5 kJ/kg ( mínus znamená, že sa energia prenáša do chladiva). Prevedieme 1680 kg/h na kilogram/sekundu, čo sa bude rovnať 0,47 kg/s. Vo výsledku tak dostaneme 4,935 kJ/s, čo sa rovná 4,935 kW výkonu.
Prihlásiť sa na odber môjho kanál YouTubeFAN-tastiK - kanál o dizajne vetrania, klimatizácie a kúrenia
Ak je to nevyhnutné určiť latentnú chladiacu kapacitu, nájdete ho na základe množstva uvoľneného kondenzátu pomocou špecifického tepla vyparovania:
Teplo potrebné na kondenzáciu vlhkosti sa zistí podľa vzorca:Q =
L *
m,
KdeL - špecifické teplo vyparovania;m - hmotnosť vlhkosti.
L vody sa rovná: 2260 kJ/kg.
Aby sme za sekundu premenili 0,47 gramu vody z plynného skupenstva na kvapalné, potrebujeme 2260 J * 10 3 * 0,47 kg/s * 10 -3 = 1063 J/s, čo sa rovná 1063 W.
Takže latentná chladiaca kapacita tohto procesu je 1063 W.
To je všetko
Vlastne, to je všetko, čo som chcel v tomto článku zvážiť. Prosím, nekarhajte ma za naivnú jednoduchosť toho, čo som opísal - snažil som sa vysvetliť v prvom rade sebe, čo je entalpia a ako ju používať. Dúfam, že to bolo pre vás zaujímavé a užitočné. Ďakujem za tvoju pozornosť.
P.S. Tento článok nie je v žiadnom prípade návodom. Toto je len môj subjektívny pohľad na danú problematiku. Dokonca by som povedal, že každé slovo napísané v tomto článku je nesprávne. Hľadajte v učebniciach informácie hodné titulu „Vedecká pravda“.
Problém 1 Vypočítajte štandardnú entalpiu reakcie
Uveďte, či bude reakcia exo- alebo endotermická.
Riešenie.
2S02 (g) + 02 (g) = 2S03 (g);
DH 0 f ,kJ/mol -297 0 -396
n,mol 2 1 2
DH 0 = Sn kont. ×DH 0 pokrač. - Sn ref. ×DH 0 ref. = 2(-396) – = -198 kJ.
Odpoveď Štandardná entalpia reakcie je -198 kJ. Reakcia je exotermická, pretože DH 0< 0.
Problém 2 Podľa termochemickej rovnice
Vypočítajte štandardnú entalpiu tvorby produktu.
Riešenie.
4Fe0 (s) + 02 (g) = 2Fe203 (s); DH 0 = -584 kJ
DH 0 f , kJ/mol -266 0 DH 0 f (x)
n,mol 4 1 2
DH 0 = Sn kont. ×DH 0 pokrač. - Sn ref. ×DH 0 ref. = 2×DH 0 f (x) – = -584 kJ.
DH 0 f (Fe 2 O 3) = DH 0 f (x) = -824 kJ/mol.
Odpoveď Štandardná entalpia tvorby oxidu železitého je
824 kJ/mol.
Problém 3 Vypočítajte hodnotu štandardnej entalpie reakcie tvorby oxidu železitého z jednoduchých látok pomocou nasledujúcich termochemických rovníc:
Riešenie.
(1) 2Fe (s) + 02 (g) = 2FeO (s); DH 0 (1) = -532 kJ
(2) 4Fe0 (s) + 02 (g) = 2Fe203 (s); DH 0 (2) = -584 kJ
Vynásobme každý člen 1. rovnice 2, vrátane tepelného účinku prvej reakcie, a pripočítajme ho k druhej rovnici.
4Fe (s) + 302 (g) = 2Fe203 (s); DH 0 = 2DH 0 (1) +) DH 0 (2) =
2(-532) + (-584) = -1648t kJ.
Odpoveď Štandardná entalpia reakcie tvorby oxidu železitého z jednoduchých látok je -1648 kJ.
Problém 4. Vypočítajte väzbovú energiu HF, ak štandardná entalpia reakcie H 2 + F 2 = 2HF je -536 kJ, E H-H = 436 kJ/mol; EF - F = 159 kJ/mol.
DH 0 = Sn ref. ×E prípojky ref. - Pokr. ×E komunikácia pokračovanie;
DH° = (1 E H-H + 1 E F - F) – 2E H - F.
536 = (436 + 159) - 2EH - F.
EH - F = 565,5 kJ/mol
Odpoveď Väzbová energia HF je 565,5 kJ/mol.
Problém 5. Ako sa zmení rýchlosť reakcie 2NO (g) + O 2 (g) = 2NO 2 (g), ak sa objem reakčnej nádoby zmenší 3-krát?
Riešenie. Pred zmenou objemu bola rýchlosť reakcie vyjadrená rovnicou: . V dôsledku zníženia objemu sa koncentrácia každého z reaktantov zvýši trikrát. Preto sa rýchlosť reakcie zmení a bude definovaná ako:
Porovnaním výrazov pre V a V' zistíme, že rýchlosť reakcie sa zvýši 27-krát.
Úloha 6. Teplotný koeficient rýchlosti reakcie je 2,8. Koľkokrát sa zvýši rýchlosť reakcie, keď sa teplota zvýši z 20 na 75 0 C?
Riešenie. Pretože Dt = 55 0 C, potom rýchlosť reakcie pri 20 a 75 0 C, v tomto poradí, V a V ', môžeme napísať:
Rýchlosť reakcie sa zvýši 287-krát.
Úloha 7. V systéme A (g.) + 2B (g.) « C (g.) sú rovnovážne koncentrácie rovnaké: [A] = 0,6 mol/l; [B] = 1,2 mol/l; [C] = 2,16 mol/l. Nájdite rovnovážnu konštantu reakcie a počiatočné koncentrácie látok A a B.
Riešenie. Pri riešení problémov pomocou rovnovážnych koncentrácií je vhodné vytvoriť tabuľku, do ktorej sa zapíšu koncentrácie látok zúčastňujúcich sa reakcie:
Koncentrácie, CM (mol/l) A + 2B ⇄ C
Počiatočné x y -
V reakcii 2,16 4,32 2,16
Rovnováha 0,6 1,2 2,16
Rovnovážna konštanta tejto reakcie je vyjadrená rovnicou. Dosadením údajov z tretieho riadku tabuľky do nej dostaneme: .
Na zistenie počiatočných koncentrácií látok A a B berieme do úvahy, že podľa reakčnej rovnice z 1 mólu A a 2 mólov B vznikne 1 mól C. Keďže podľa podmienok úlohy , v každom litri systému vzniklo 2,16 mólu látky C, potom sa spotrebovalo 2,16 mol A a 2,16×2 = 4,32 mol B. Potrebné počiatočné koncentrácie sú teda:
Z ref. (A) = x = 0,6 + 2,16 = 2,76 (mol/l)
Z ref. (B) = y = 1,2 + 4,32 = 5,52 (mol/l).
Úloha 8. Pri určitej teplote je disociačná konštanta jodovodíka na jednoduché látky 6,25×10 -2. Aké percento HI disociuje pri tejto teplote?
Riešenie. Počiatočnú koncentráciu HI označme C (mol/l) a kým nastane rovnováha, nech je disociovaná z každého C mol jodovodíka x mol. Vyplňte tabuľku:
CM (mol/l) 2HI ⇄ H2 + I 2.
Počiatočné C --
V reakcii x 0,5x 0,5x
Rovnováha, (C – x) 0,5x 0,5x
Podľa reakčnej rovnice z x mólov jodovodíka vzniklo 0,5 x mól H 2 a 0,5 x mól I 2 . Rovnovážne koncentrácie sú teda: = (C - x) mol/l; = = 0,5 x mol/l. Dosaďte tieto hodnoty do výrazu pre rovnovážnu konštantu reakcie:
Ak vezmeme druhú odmocninu z oboch strán rovnice, dostaneme , z čoho x = 0,333C. V čase dosiahnutia rovnováhy sa teda disociovalo 33,3 % počiatočného množstva jodovodíka.
Problém 9. Pomocou referenčných údajov nájdite približnú hodnotu teploty, pri ktorej je rovnovážna konštanta reakcie tvorby vodného plynu C (s.) + H 2 0 (g.) «CO (g.) + H 2 (g. ) sa rovná jednote. Zanedbajte závislosť DH 0 a DS 0 od teploty.
Riešenie. Z rovnice D vyplýva, že pri K T = 1 je štandardná Gibbsova energia chemickej reakcie nulová. Potom zo vzťahu vyplýva, že pri vhodnej teplote, odkiaľ . Podľa podmienok úlohy môžete na výpočet použiť hodnoty (DH 0 f – molárna entalpia tvorby látky v kJ/mol) a (DS 0 f – molárna entropia látky v J/ (mol×K) reakciu, ktorú nájdeme v tabuľke o termodynamických vlastnostiach anorganických látok (referenčné údaje):
Látka
kJ/mol J/(mol×K)
C (grafit) 0 5,7
CO (g) -110,5 197,5
N2 (g.) 0 130,5
H20 (g) -241,8 188,7
Stanovíme zmenu entalpie a entropie reakcie za štandardných podmienok.
Termochémia študuje tepelné účinky chemických reakcií. V mnohých prípadoch tieto reakcie prebiehajú pri konštantnom objeme alebo konštantnom tlaku. Z prvého zákona termodynamiky vyplýva, že za týchto podmienok je teplo funkciou stavu. Pri konštantnom objeme sa teplo rovná zmene vnútornej energie:
a pri konštantnom tlaku - zmena entalpie:
Tieto rovnosti, keď sa aplikujú na chemické reakcie, tvoria podstatu Hessov zákon:
Tepelný účinok chemickej reakcie prebiehajúcej pri konštantnom tlaku alebo konštantnom objeme nezávisí od reakčnej dráhy, ale je určený iba stavom reaktantov a reakčných produktov.
Inými slovami, tepelný účinok chemickej reakcie sa rovná zmene stavovej funkcie.
V termochémii sa na rozdiel od iných aplikácií termodynamiky teplo považuje za pozitívne, ak sa uvoľní do okolia, t.j. Ak H < 0 или U
< 0. Под тепловым эффектом химической реакции
понимают значение H(čo sa jednoducho nazýva „entalpia reakcie“) alebo U reakcie.
Ak reakcia prebieha v roztoku alebo v pevnej fáze, kde je zmena objemu zanedbateľná, potom
H = U + (pV) U. (3.3)
Ak sa reakcie zúčastňujú ideálne plyny, potom pri konštantnej teplote
H = U + (pV) = U+n. RT, (3.4)
kde n je zmena počtu mólov plynov v reakcii.
Na uľahčenie porovnávania entalpií rôznych reakcií sa používa pojem „štandardný stav“. Štandardný stav je stav čistej látky pri tlaku 1 bar (= 10 5 Pa) a danej teplote. Pre plyny ide o hypotetický stav pri tlaku 1 bar, ktorý má vlastnosti nekonečne riedeného plynu. Entalpia reakcie medzi látkami v štandardných stavoch pri teplote T, označiť ( r znamená „reakcia“). Termochemické rovnice označujú nielen vzorce látok, ale aj ich agregované stavy alebo kryštalické modifikácie.
Z Hessovho zákona vyplývajú dôležité dôsledky, ktoré umožňujú vypočítať entalpie chemických reakcií.
Dôsledok 1.
rovná sa rozdielu medzi štandardnými entalpiami tvorby reakčných produktov a činidiel (berúc do úvahy stechiometrické koeficienty):
Štandardná entalpia (teplo) vzniku látky (f znamená "tvorba") pri danej teplote je entalpia reakcie tvorby jedného mólu tejto látky z prvkov, ktoré sú v najstabilnejšom štandardnom stave. Podľa tejto definície je entalpia vzniku najstabilnejších jednoduchých látok v štandardnom stave 0 pri akejkoľvek teplote. Štandardné entalpie tvorby látok pri teplote 298 K sú uvedené v referenčných knihách.
Pojem „entalpia tvorby“ sa používa nielen pre bežné látky, ale aj pre ióny v roztoku. V tomto prípade sa ako referenčný bod berie ión H +, pre ktorý sa predpokladá, že štandardná entalpia tvorby vo vodnom roztoku je nulová: 
Dôsledok 2. Štandardná entalpia chemickej reakcie
rovná sa rozdielu medzi entalpiami spaľovania reaktantov a reakčných produktov (berúc do úvahy stechiometrické koeficienty):
(c znamená „spaľovanie“). Štandardná entalpia (teplo) horenia látky je entalpia reakcie úplnej oxidácie jedného mólu látky. Tento dôsledok sa zvyčajne používa na výpočet tepelných účinkov organických reakcií.
Dôsledok 3. Entalpia chemickej reakcie sa rovná rozdielu v energiách chemických väzieb, ktoré sa prerušia a ktoré sa tvoria.
Energia komunikácie A-B pomenujú energiu potrebnú na prerušenie väzby a oddelenie výsledných častíc na nekonečnú vzdialenosť:
AB (g) A (g) + B (g).
Komunikačná energia je vždy pozitívna.
Väčšina termochemických údajov v referenčných knihách sa uvádza pri teplote 298 K. Na výpočet tepelných účinkov pri iných teplotách použite Kirchhoffova rovnica:
(rozdielny tvar) (3.7)
(celé tvar) (3.8)
Kde C str- rozdiel medzi izobarickými tepelnými kapacitami reakčných produktov a východiskových látok. Ak rozdiel T 2 - T 1 je malý, potom ho môžete prijať C str= konšt. Ak je veľký teplotný rozdiel, je potrebné použiť teplotnú závislosť C str(T) typ:
kde sú koeficienty a, b, c atď. pre jednotlivé látky sú prevzaté z referenčnej knihy a znak označuje rozdiel medzi produktmi a činidlami (berúc do úvahy koeficienty).
PRÍKLADY
Príklad 3-1.Štandardné entalpie tvorby kvapalnej a plynnej vody pri 298 K sú -285,8 a -241,8 kJ/mol. Vypočítajte entalpiu vyparovania vody pri tejto teplote.
Riešenie. Entalpie tvorby zodpovedajú nasledujúcim reakciám:
H2 (g) + S02 (g) = H20 (1), H 1 0 = -285.8;
H2 (g) + S02 (g) = H20 (g), H 2 0 = -241.8.
Druhá reakcia sa môže uskutočniť v dvoch stupňoch: najprv sa spáli vodík za vzniku kvapalnej vody podľa prvej reakcie a potom sa voda odparí:
H20 (1) = H20 (g), H 0 isp = ?
Potom, podľa Hessovho zákona,
H 1 0 + H 0 isp = H 2 0 ,
kde H 0 isp = -241,8 - (-285,8) = 44,0 kJ/mol.
Odpoveď. 44,0 kJ/mol.
Príklad 3-2. Vypočítajte entalpiu reakcie
6C (g) + 6H (g) = C6H6 (g)
a) tvorbou entalpií; b) väzbovými energiami za predpokladu, že dvojité väzby v molekule C 6 H 6 sú fixované.
Riešenie. a) Entalpie tvorby (v kJ/mol) sa nachádzajú v referenčnej knihe (napríklad P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. vydanie, str. C9-C15): f H 0 (C6H6 (g)) = 82,93, f H 0 (C (g)) = 716,68, f H 0 (H (g)) = 217,97. Entalpia reakcie je:
r H 0 = 82,93 - 6 716,68 - 6 217,97 = -5 525 kJ/mol.
b) Pri tejto reakcii sa chemické väzby nerušia, ale iba vytvárajú. V aproximácii pevných dvojitých väzieb obsahuje molekula C 6 H 6 6 väzieb C-H, 3 väzby C-C a 3 väzby C=C. Energie väzby (v kJ/mol) (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5. vydanie, s. C7): E(C-H) = 412, E(C-C) = 348, E(C=C) = 612. Entalpia reakcie je:
r H 0 = -(6 412 + 3 348 + 3 612) = -5 352 kJ/mol.
Rozdiel s presným výsledkom -5525 kJ/mol je spôsobený tým, že v molekule benzénu nie sú jednoduché väzby C-C a dvojité väzby C=C, ale je tam 6 aromatických C C väzieb.
Odpoveď. a) -5525 kJ/mol; b) -5352 kJ/mol.
Príklad 3-3. Pomocou referenčných údajov vypočítajte entalpiu reakcie
3Cu (tv) + 8HN03(aq) = 3Cu(N03)2(aq) + 2NO (g) + 4H20 (1)
Riešenie. Skrátená iónová rovnica pre reakciu je:
3Cu (s) + 8H+ (aq) + 2N03- (aq) = 3Cu2+ (aq) + 2NO (g) + 4H20 (1).
Podľa Hessovho zákona sa entalpia reakcie rovná:
r H 0 = 4f H 0 (H20 (1)) + 2 f H 0 (NO (g)) + 3 f H 0 (Cu2+ (aq)) - 2 f H 0 (NO 3 - (aq))
(entalpie tvorby medi a iónu H + sú podľa definície rovnaké 0). Nahradením hodnôt entalpií tvorby (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5. vydanie, s. C9-C15) nájdeme:
r H 0 = 4 (-285,8) + 2 90,25 + 3 64,77 - 2 (-205,0) = -358,4 kJ
(na základe troch mólov medi).
Odpoveď. -358,4 kJ.
Príklad 3-4. Vypočítajte entalpiu spaľovania metánu pri 1000 K, ak je daná entalpia tvorby pri 298 K: f H 0 (CH4) = -17,9 kcal/mol, f H 0 (C02) = -94,1 kcal/mol, f H 0 (H20 (g)) = -57,8 kcal/mol. Tepelné kapacity plynov (v cal/(mol. K)) v rozsahu od 298 do 1000 K sa rovnajú:
Cp (CH4) = 3,422 + 0,0178. T, C str(02) = 6,095 + 0,0033. T,
Cp (C02) = 6,396 + 0,0102. T, C str(H20 (g)) = 7,188 + 0,0024. T.
Riešenie. Entalpia reakcie spaľovania metánu
CH4 (g) + 202 (g) = C02 (g) + 2H20 (g)
pri 298 K sa rovná:
94,1 + 2 (-57,8) - (-17,9) = -191,8 kcal/mol.
Nájdite rozdiel v tepelných kapacitách ako funkciu teploty:
C str = C str(CO2) + 2 C str(H20 (g)) - C str(CH4)-2 C str(O2) =
= 5.16 - 0.0094T(cal/(mol K)).
Entalpia reakcie pri 1000 K sa vypočíta pomocou Kirchhoffovej rovnice:
= + 
= -191800 + 5.16
(1000-298) - 0,0094 (10002 -2982)/2 = -192500 cal/mol.
Odpoveď. -192,5 kcal/mol.
ÚLOHY
3-1. Koľko tepla je potrebné na prenos 500 g Al (teplota topenia 658 o C, H 0 pl = 92,4 cal/g), odobratých pri teplote miestnosti, do roztaveného stavu, ak C str(Al TV) = 0,183 + 1,096 10-4 T cal/(g K)?
3-2. Štandardná entalpia reakcie CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (g) prebiehajúcej v otvorenej nádobe pri teplote 1000 K je 169 kJ/mol. Aké je teplo tejto reakcie, ktorá prebieha pri rovnakej teplote, ale v uzavretej nádobe?
3-3. Vypočítajte štandardnú vnútornú energiu tvorby kvapalného benzénu pri 298 K, ak štandardná entalpia jeho vzniku je 49,0 kJ/mol.
3-4. Vypočítajte entalpiu tvorby N 2 O 5 (g) pri T= 298 K na základe nasledujúcich údajov:
2NO(g) + 02 (g) = 2N02 (g), H 10 = -114,2 kJ/mol,
4N202 (g) + 02 (g) = 2N205 (g), H 20 = -110,2 kJ/mol,
N2 (g) + O2 (g) = 2NO (g), H 30 = 182,6 kJ/mol.
3-5. Entalpie spaľovania -glukózy, -fruktózy a sacharózy pri 25 °C sú rovné -2802,
-2810 a -5644 kJ/mol, v tomto poradí. Vypočítajte skupenské teplo hydrolýzy sacharózy.
3-6. Stanovte entalpiu vzniku diboránu B 2 H 6 (g) pri T= 298 K z nasledujúcich údajov:
B2H6 (g) + 302 (g) = B203 (tv) + 3H20 (g), H 10 = -2035,6 kJ/mol,
2B(tv) + 3/2 O2 (g) = B203 (tv), H 20 = -1273,5 kJ/mol,
H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g), H 30 = -241,8 kJ/mol.
3-7. Vypočítajte skupenské teplo vzniku síranu zinočnatého z jednoduchých látok pri T= 298 K na základe nasledujúcich údajov.
Úloha 1. Vypočítajte štandardnú entalpiu a štandardnú entropiu chemickej reakcie. Určte, v ktorom smere pri 298°K (priamy alebo reverzný) prebehne reakcia Fe203 (k) + 3H2 = 2Fe (k) + 3H20 (g). Vypočítajte teplotu, pri ktorej sú oba smery reakcie rovnako pravdepodobné.
ΔHр-tions = Σ∆H 0 pokračovanie – Σ∆H 0 von. Pomocou referenčných údajov pre štandardné entalpie látok zistíme:
ΔHp-ión = (2·ΔH0Fe+3·ΔH0H20)- (AH0Fe203 +3·ΔH0H2) = 2,0 + 3·(- 241,82) – (-822,16 ) - 3·0 = 96,7 kJ.
ΔSр-tion=ΣS 0 pokračovanie – ΣS 0 von. Pomocou referenčných údajov pre štandardné entropie látok zistíme:
ΔSr-ióny = (2·S0Fe + 3·S0H2O) - (SoFe203 + 3·S0H2) = 2·27,15 + 3·188,7 – 89,96 - 3·131 = 137,44 J /K = 0,13744 kJ/K.
ΔG = ΔH – TΔS = 96,7 – 298 ·0,13744 = 55,75 kJ.
Pri T=298°K, ΔG > 0 – reakcia neprebieha spontánne, t.j. reakcia bude prebiehať v opačnom smere.
ΔH – TΔS = 0, potom ΔH = TΔS a T= ΔH/ΔS= 96,7/0,13744 = 703,58 K.
Pri T = 703,58 K bude reakcia prebiehať rovnako pravdepodobne v smere dopredu aj dozadu.
Úloha 2. Vypočítajte Gibbsovu energiu a určte možnosť, že reakcia nastane pri teplotách 1000 a 3000 K. Cr 2 O 3 (s) + 3C (s) = 2Cr (s) + 3CO (g).
Gibbsovu energiu vypočítame podľa výrazu:
Pomocou referenčných údajov pre štandardné entalpie látok zistíme:
ΔHp-tion = (2 ΔH 0 Cr + 3 ΔH 0 CO) - (AH 0 Cr 2 O 3 + 3 ΔH 0 C) = 2 0 + 3 (- 110,6) – (-1141) - 3,0 = 809,2 kJ .
Podobne pomocou referenčných údajov pre štandardné entropie látok zistíme:
ΔSr-tion= (2·S0Cr + 3·S0CO) - (S0Cr203 +3·S0C)=23,6+3·197,7– 81,2 - 3·5,7 = 542 J/ K = 0,542 kJ/K.
Nájdime Gibbsovu energiu pri 1000 K:
ΔG 1000 = ΔH – TΔS= 809,2 – 1000 0,542 = 267,2 kJ
ΔG1000 >
Nájdime Gibbsovu energiu pri 3000 K:
ΔG 3000 = ΔH – TΔS = 809,2 – 3000 0,542 = - 816,8 kJ
ΔG3000 ˂0, preto reakcia prebieha spontánne.
Úloha 3. Ako môžeme vysvetliť, že za štandardných podmienok nie je možná exotermická reakcia: CO 2 (g) + H 2 (g) ↔ CO (g) + H 2 O (l)? Vypočítajte ΔG pre túto reakciu. Pri akých teplotách sa táto reakcia stáva spontánnou?
Vypočítajme ΔG tejto reakcie:
ΔG = ΔH – TΔS
Aby sme to dosiahli, najprv určíme reakcie ΔH a ΔS:
ΔHр-tions = Σ∆H 0 pokračovanie – Σ∆H 0 out a ΔSр-tions=ΣS 0 pokračovanie – ΣS 0 out.
Pomocou referenčných údajov pre štandardné entalpie a entropie látok zistíme:
ΔHr-tion= (AH 0 H 2 O(l) + ΔH 0 CO) - (ΔH 0 CO 2 + ΔH 0 H 2) = -110,5 + (-285,8) – (393,5) - 0 = -2,8 kJ.
ΔSr-tion= S0H20(l) + S0CO - S0CO2 - S0H2 = 197,5 + 70,1 - 213,7 - 130,52 = -76,6 J/K = 0,0766 kJ/K.
Poďme nájsť Gibbsovu energiu za štandardných podmienok
ΔGp-tion= ΔH – TΔS= -2,8 + 298 · 0,0766=20 kJ
ΔG> 0, preto reakcia neprebieha spontánne.
Poďme zistiť, pri akých teplotách sa táto reakcia stáva spontánnou: T = ΔH/ΔS = -2,8/(-0,0766) = 36,6 K.
Úloha 4. Po vypočítaní ΔG a ΔS na základe tabuľkových údajov určite tepelný účinok reakcie: 2NO (g) + Cl 2 (g) ↔ 2NOCl (g). S čím bude plynný chlorovodík reagovať intenzívnejšie (na 1 mol): hliník alebo cín? Odpovedzte výpočtom ΔG 0 oboch reakcií. Reakčnými produktmi sú pevná soľ a plynný vodík.
Vypočítajme ΔG 0 pre reakciu plynného chlorovodíka (na 1 mol) s hliníkom:
2Al(t) + 6HCl (g) = 2AlCl3 (t) + 3H2
ΔG 0 r-tion = ΣΔG 0 pokračovanie - ΣΔG 0 von
AG 0 r-tion 1 = (2 AG 0 AlCl 3 +3 AG 0 H 2) - (2 AG 0 Al + 6 AG 0 HCl)
ΔGO r-tion 1 = 2·(-636,8) + 3·0- 2·0- 6·(-95,27) = -701,98 kJ
Reakcie sa zúčastňujú 2 móly Al, potom ΔGр-tion 1 1 mól Al sa rovná ΔG 0 р-TION 1 = -701,98 / 2 = -350,99 kJ.
Vypočítajme ΔG 0 pre reakciu plynného chlorovodíka (na 1 mol) s cínom:
Sn(s) + 2HCl (g) = SnCl2 (s) + H2
AGo r-tion 2 = (AGoSnCl2(s) + AGoH2) - (AGoSn + AG0HCI)
AGo r-tion 2 = -288,4 + 0- 0- 2·(-95,27) = -97,86 kJ/mol
Obe reakcie majú ΔG0˂0, takže prebiehajú spontánne v smere dopredu, ale plynný chlorovodík bude s hliníkom interagovať intenzívnejšie, pretože ΔG 0 r-tion 1 ˂ ΔG 0 r-tion 2
Úloha 5. Bez použitia výpočtov určite, ktoré znamienka (>0,<0, ≈0) имеют ΔG, ΔH и ΔS для протекающей в прямом направлении реакции: 4НBr (г) + O 2 (г) ↔2H 2 O(г) +2Br 2 (г).
Pri konštantnej teplote a tlaku súvisí zmena Gibbsovej energie s entalpiou a entropiou výrazom:
ΔG = ΔH – TΔS.
Entropia je mierou neusporiadanosti systému. Čím väčšia je porucha v systéme (viac plynných látok), tým väčšia je hodnota entropie. Pri tejto reakcii je počet mólov plynov na pravej strane 5 a na ľavej strane 4, čo znamená, že entropia systému klesá ΔS˂0.
Podľa podmienok problému reakcia prebieha v smere dopredu, teda ΔG˂0.
Za normálnych podmienok TΔS ˂˂ ΔH, preto je v tomto prípade ΔH20 exotermická reakcia.
