Энтальпия, изменение энтальпии и теплота реакции

Понимание химии включает в себя не только изучение того, как вещества реагируют, но и понимание вовлеченных энергетических изменений. Когда вещества вступают в химические реакции, тепло либо поглощается из окружающей среды, либо высвобождается в окружающую среду. Это приводит нас к важному понятию в термохимии, называемому энтальпией. В этом подробном объяснении мы разберем энтальпию, изменения энтальпии и теплоту реакции в подробной форме, которая будет простым для понимания.

Что такое энтальпия?

Энтальпия (символ: H) является мерой полной энергии термодинамической системы. Она включает в себя внутреннюю энергию, которая необходима для создания системы, и энергию, необходимую для того, чтобы разместить её, вытесняя окружающую её среду и устанавливая её объем и давление. Проще говоря, энтальпия связана с тепловой энергией в химических реакциях, происходящих при постоянном давлении.

 H = U + PV 

В приведенной выше формуле H обозначает энтальпию, U — это внутренняя энергия, P означает давление, а V — объем. Сама по себе энтальпия не столь интересна; она предоставляет ценную информацию об изменении энтальпии во время реакции.

Изменение энтальпии

Изменение энтальпии, выраженное в виде ΔH, является разницей энтальпий между продуктами и реагентами химической реакции. Это важно для прогнозирования, будет ли реакция поглощать или освобождать тепло. Изменения энтальпии могут быть классифицированы на два типа:

• Экзотермические реакции: Эти реакции выделяют тепло в окружающую среду. Для экзотермических реакций изменение энтальпии является отрицательным ( ΔH < 0 ).
• Эндотермические реакции: Эти реакции поглощают тепло из окружающей среды. Для эндотермических реакций изменение энтальпии является положительным ( ΔH > 0 ).

Давайте исследуем это понятие на примере:

A + B → C + тепло (экзотермическая реакция)
Тепло + A + B → C (эндотермическая реакция)
    

В экзотермической реакции выделяется и отдаётся тепло, поэтому ΔH отрицательно. Напротив, эндотермическая реакция требует тепла для протекания, что означает положительное значение ΔH.

Понимание теплоты реакции

Теплота реакции, также называемая изменением энтальпии реакции, — это изменение энтальпии при прохождении реакции. Она обычно измеряется в стандартных условиях и обозначается в виде ΔH°, где индекс "°" указывает стандартные условия. Теплота реакции предоставляет полезную информацию об энергетических изменениях в реакции.

Стандартная энтальпия образования

Это изменение энтальпии, когда один моль соединения образуется из своих элементов в их стандартных состояниях. Формула выражается как:

 ΔH°f 

Например, образование воды из водорода и кислорода может быть выражено следующим образом:

H₂(g) + ½O₂(g) → H₂O(l) ΔH°f = -285.8 кДж/моль
    

Это показывает, что при образовании одного моля воды выделяется 285.8 кДж энергии.

Стандартная энтальпия сгорания

Стандартная энтальпия сгорания — это изменение теплоты, которое происходит при полном реагировании одного моля вещества с кислородом в стандартных условиях. Горение метана является классическим примером:

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ΔH°c = -890.3 кДж/моль
    

Это представляет энергию, выделяющуюся при сгорании одного моля метана.

Визуальные примеры с химическими уравнениями и энергетическими диаграммами

Энергетическая диаграмма выше представляет экзотермическую реакцию. На ней показано как два реагента A + B превращаются в продукты C + D с выделением энергии. Разница в высоте между уровнями реагентов и продуктов представляет выделяемую энергию, которая изображена в виде нисходящего склона.

Эта энергетическая диаграмма показывает эндотермическую реакцию. Здесь реагенты поглощают энергию E + F и превращаются в продукты G + H. Восходящий склон указывает на поглощение энергии, и продукты располагаются на более высоком энергетическом уровне.

Факторы, влияющие на изменение энтальпии

Многие факторы влияют на величину изменения энтальпии, такие как:

1. Природа реагентов и продуктов: Различные вещества имеют разную внутреннюю энергию, которая влияет на изменение энтальпии.
2. Физическое состояние: Состояние реагентов и продуктов (твердое, жидкое, газообразное) влияет на количество энергетических изменений.
3. Энергия связей: Изменение энтальпии также зависит от энергии, необходимой для разрушения связей, и энергии, выделяемой при образовании новых связей.

Для реакций, связанных с разрушением и образованием связей, мы можем использовать энтальпию связей:

 ΔH = ∑(энергия связей реагентов) – ∑(энергия связей продуктов) 

Примеры расчета энтальпии

Давайте рассчитаем изменение энтальпии для некоторых реакций, используя эти принципы. Рассмотрим:

Реакция: C(т) + O₂(г) → CO₂(г)
Дано: ΔH°f [C(т)] = 0 кДж/моль, ΔH°f [O₂(г)] = 0 кДж/моль, ΔH°f [CO₂(г)] = -393.5 кДж/моль

ΔH = ΔH°f [продукты] - ΔH°f [реагенты]
ΔH = [-393.5 кДж/моль] - [0 + 0]
ΔH = -393.5 кДж/моль
    

Результат показывает, что реакция выделяет 393.5 кДж/моль энергии, что указывает на экзотермическую реакцию.

Возьмем другой пример с другой реакцией:

Реакция: N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH₃(г)
Дано: ΔH°f [N₂(г)] = 0 кДж/моль, ΔH°f [H₂(г)] = 0 кДж/моль, ΔH°f [NH₃(г)] = -45.9 кДж/моль

ΔH = 2(-45.9 кДж/моль) - [0 + 3(0)]
ΔH = -91.8 кДж/моль
    

Этот расчет показывает, что 91.8 кДж/моль выделяется при образовании аммиака из азота и водорода, что снова указывает на экзотермический процесс.

Роль закона Гесса

Закон Гесса — это важный принцип в термохимии, который гласит, что полное изменение энтальпии химической реакции остается постоянным независимо от пути, по которому реакция протекает. Этот закон полезен при расчете энтальпии реакций, которые трудно измерить напрямую. Он может быть резюмирован с использованием следующего принципа:

 ΔH = ∑ΔH (этапы пути реакции) 

Рассмотрим следующий случай получения диоксида углерода из графита:

C(графит) + O₂(г) → CO₂(г) ΔH = -393.5 кДж

Теперь предположим, что мы используем другой подход:

C(графит) + ½O₂(г) → CO(г) ΔH₁ = -110.5 кДж
CO(г) + ½O₂(г) → CO₂(г) ΔH₂ = -283.0 кДж

Применяя закон Гесса:
ΔH = ΔH₁ + ΔH₂
ΔH = -110.5 кДж + (-283.0 кДж)
ΔH = -393.5 кДж
    

Результат подтверждает, что изменение энтальпии остается постоянным, что демонстрирует закон Гесса.

Реальные приложения энтальпии и теплоты реакции

Концепции энтальпии и теплоты реакции важны во многих областях, включая:

1. Промышленные процессы: Контроль над энергетическими превращениями критически важен для эффективности и экономичности в производстве химикатов, фармацевтических и материалов.
2. Экологическая наука: Понимание энергии в таких процессах, как сгорание, помогает оценить их воздействие на окружающую среду.
3. Пищевая наука: Рассчитывание энергии, выделяемой или поглощаемой в пищевых реакциях, важно для питания и сохранения.

Помимо освещения этих применений, открытия, связанные с энтальпией, также направляют исследования в области устойчивой энергии, таких как разработка высокоэффективных и низкоэмиссионных топлив.

Заключение

Изучая энтальпию, изменения энтальпии и теплоту реакции, студенты могут лучше понять, как химические реакции превращают материю и энергию. Это понимание предоставляет как теоретические знания, так и практические приложения, и формирует основу для дальнейших исследований в химии и связанных науках.

Комментарии