Термохимия. Химиялық реакциялардың жылу эффектілері

Термохимия химиялық реакциялардың жылу әсерін зерттейді. Көп жағдайда бұл реакциялар тұрақты көлемде немесе тұрақты қысымда жүреді. Термодинамиканың бірінші заңынан шығатыны, бұл жағдайда жылу күй функциясы болып табылады. Тұрақты көлемде жылу ішкі энергияның өзгеруіне тең:

ал тұрақты қысымда – энтальпияның өзгеруі:

Бұл теңдіктер химиялық реакцияларға қолданылғанда мәнді құрайды Гесс заңы:

Тұрақты қысымда немесе тұрақты көлемде болатын химиялық реакцияның жылу эффектісі реакция жолына байланысты емес, тек әрекеттесуші заттар мен реакция өнімдерінің күйімен анықталады.

Басқаша айтқанда, химиялық реакцияның жылу эффектісі күй функциясының өзгеруіне тең.
Термохимияда, термодинамиканың басқа қолданбаларынан айырмашылығы, жылу, егер ол қоршаған ортаға шығарылса, оң деп саналады, яғни. Егер Х < 0 или У < 0. Под тепловым эффектом химической реакции понимают значение Х(бұл жай ғана «реакция энтальпиясы» деп аталады) немесе Уреакциялар.

Егер реакция ерітіндіде немесе қатты фазада болса, онда көлемнің өзгеруі шамалы болса, онда

Х = У + (pV) У. (3.3)

Егер идеал газдар реакцияға қатысса, онда тұрақты температурада

Х = У + (pV) = У+n. RT, (3.4)

мұндағы n – реакциядағы газдардың моль санының өзгеруі.

Әртүрлі реакциялардың энтальпияларын салыстыруды жеңілдету үшін «стандартты күй» түсінігі қолданылады. Стандартты күй – таза заттың 1 бар (= 10 5 Па) қысымдағы және берілген температурадағы күйі.. Газдар үшін бұл 1 бар қысымдағы гипотетикалық күй, шексіз сиректелген газдың қасиеттеріне ие. Температурадағы стандартты күйдегі заттар арасындағы реакцияның энтальпиясы Т, белгілеу ( r«реакция» дегенді білдіреді). Термохимиялық теңдеулер заттардың формулаларын ғана емес, сонымен қатар олардың агрегаттық күйлерін немесе кристалдық модификацияларын көрсетеді.

Химиялық реакциялардың энтальпияларын есептеуге мүмкіндік беретін Гесс заңынан маңызды нәтижелер шығады.

Қорытынды 1.

реакция өнімдері мен реагенттер түзілудің стандартты энтальпияларының айырмашылығына тең (стехиометриялық коэффициенттерді ескере отырып):

Зат түзілудің стандартты энтальпиясы (жылу). (f«түзілу» дегенді білдіреді) берілген температурада бұл заттың бір мольінің түзілу реакциясының энтальпиясы. элементтерден, олар ең тұрақты стандартты күйде. Бұл анықтамаға сәйкес стандартты күйдегі ең тұрақты қарапайым заттардың түзілу энтальпиясы кез келген температурада 0-ге тең. 298 К температурадағы заттардың түзілу стандартты энтальпиялары анықтамалық әдебиеттерде келтірілген.

«Түзілу энтальпиясы» ұғымы жай заттарға ғана емес, ерітіндідегі иондарға да қолданылады. Бұл жағдайда тірек нүктесі ретінде Н + ионы алынады, ол үшін сулы ерітіндідегі түзілудің стандартты энтальпиясы нөлге тең деп есептеледі:

Қорытынды 2. Химиялық реакцияның стандартты энтальпиясы

әрекеттесуші заттар мен реакция өнімдерінің жану энтальпияларының айырмашылығына тең (стехиометриялық коэффициенттерді ескере отырып):

(в«жану» дегенді білдіреді). Заттың жануының стандартты энтальпиясы (жылуы) деп бір моль заттың толық тотығу реакциясының энтальпиясын айтады. Бұл салдар әдетте органикалық реакциялардың жылу эффектілерін есептеу үшін қолданылады.

Қорытынды 3. Химиялық реакцияның энтальпиясы үзілетін және түзілген химиялық байланыстар арасындағы энергия айырмашылығына тең.

Байланыс энергиясы A-B байланыстарды үзу және алынған бөлшектерді шексіз қашықтықта бөлу үшін қажетті энергияны атайды:

AB (g) A (g) + B (g) .

Қарым-қатынас энергиясы әрқашан позитивті.

Анықтамалық әдебиеттердегі термохимиялық мәліметтердің көпшілігі 298 К температурада берілген. Басқа температуралардағы жылу әсерлерін есептеу үшін мынаны пайдаланыңыз. Кирхгоф теңдеуі:

(дифференциалдық нысан) (3.7)

(интегралдық түрі) (3.8)

Қайда C б- реакция өнімдері мен бастапқы заттардың изобарлық жылу сыйымдылықтарының айырмашылығы. Айырмашылық болса Т 2 - Т 1 кішкентай, содан кейін қабылдауға болады C б= const. Егер температура айырмашылығы үлкен болса, температураға тәуелділікті пайдалану қажет C б(Т) түрі:

коэффициенттер қайда а, б, вт.б. жеке заттар үшін олар анықтамалықтан алынады, ал белгі өнімдер мен реагенттер арасындағы айырмашылықты көрсетеді (коэффициенттерді ескере отырып).

МЫСАЛДАР

3-1 мысал. 298 К температурадағы сұйық және газ тәрізді судың түзілу стандартты энтальпиялары сәйкесінше -285,8 және -241,8 кДж/моль. Осы температурадағы судың булану энтальпиясын есептеңіз.

Шешім. Түзілу энтальпиялары келесі реакцияларға сәйкес келеді:

H 2 (г) + SO 2 (г) = H 2 O (l), Х 1 0 = -285.8;

H 2 (г) + SO 2 (г) = H 2 O (г), Х 2 0 = -241.8.

Екінші реакцияны екі кезеңде жүргізуге болады: біріншіден, бірінші реакцияға сәйкес сұйық су түзу үшін сутекті жағып, содан кейін суды буландырыңыз:

H 2 O (l) = H 2 O (г), Х 0 isp =?

Сонда Гесс заңы бойынша

Х 1 0 + Х 0 isp = Х 2 0 ,

қайда Х 0 isp = -241,8 - (-285,8) = 44,0 кДж/моль.

Жауап. 44,0 кДж/моль.

3-2 мысал.Реакция энтальпиясын есептеңіз

6C (г) + 6Н (г) = C 6 H 6 (г)

а) түзілу энтальпиялары бойынша; б) С 6 Н 6 молекуласындағы қос байланыстар бекітілген деп есептей отырып, байланыс энергиялары арқылы.

Шешім. а) Түзілу энтальпиялары (кДж/мольмен) анықтамалықтан (мысалы, П.В.Аткинс, Физикалық химия, 5-ші басылым, С9-С15 беттер) берілген: f H 0 (C 6 H 6 (g)) = 82,93, f H 0 (C (g)) = 716,68, f H 0 (H (г)) = 217,97. Реакцияның энтальпиясы:

r H 0 = 82,93 - 6 716,68 - 6 217,97 = -5525 кДж/моль.

б) Бұл реакцияда химиялық байланыстар үзілмейді, тек түзіледі. Бекітілген қос байланыстарды жуықтауда C 6 H 6 молекуласында 6 C-H байланысы, 3 C-C байланысы және 3 C=C байланысы бар. Байланыс энергиясы (кДж/мольмен) (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5-ші басылым, C7 бет): Е(С-Н) = 412, Е(C-C) = 348, Е(C=C) = 612. Реакцияның энтальпиясы:

r H 0 = -(6,412 + 3,348 + 3,612) = -5352 кДж/моль.

Нақты нәтиженің айырмашылығы -5525 кДж/моль бензол молекуласында жалғыз С-С байланысы және қос С=С байланысы жоқ, бірақ 6 ароматты С С байланысы бар.

Жауап. а) -5525 кДж/моль; б) -5352 кДж/моль.

3-3 мысал.Анықтамалық мәліметтерді пайдалана отырып, реакцияның энтальпиясын есептеңіз

3Cu (tv) + 8HNO 3(aq) = 3Cu(NO 3) 2(ақ) + 2NO (g) + 4H 2 O (l)

Шешім. Реакцияның қысқартылған иондық теңдеуі:

3Cu (s) + 8H + (ақ) + 2NO 3 - (ақ) = 3Cu 2+ (ақ) + 2NO (g) + 4H 2 O (l).

Гесс заңы бойынша реакцияның энтальпиясы мынаған тең:

r H 0 = 4f H 0 (H 2 O (l)) + 2 f H 0 (NO (g)) + 3 f H 0 (Cu 2+ (ақ)) - 2 f H 0 (NO 3 - (ақ))

(мыс пен H + ионының түзілу энтальпиялары тең, анықтамасы бойынша 0). Түзілу энтальпияларының мәндерін алмастыра отырып (П.В.Аткинс, Физикалық химия, 5-ші басылым, C9-C15 беттер) мынаны табамыз:

r H 0 = 4 (-285,8) + 2 90,25 + 3 64,77 - 2 (-205,0) = -358,4 кДж

(үш моль мыс негізінде).

Жауап. -358,4 кДж.

3-4 мысал.Метанның 1000 К жану энтальпиясын есептеңіз, егер 298 К түзілу энтальпиясы берілген болса: f H 0 (CH 4) = -17,9 ккал/моль, f H 0 (CO 2) = -94,1 ккал/моль, f H 0 (H 2 O (г)) = -57,8 ккал/моль. 298-1000 К аралығындағы газдардың жылу сыйымдылықтары (кал/(моль. К)) мынаған тең:

C p (CH 4) = 3,422 + 0,0178. Т, C б(O2) = 6,095 + 0,0033. Т,

C p (CO 2) = 6,396 + 0,0102. Т, C б(H 2 O (г)) = 7,188 + 0,0024. Т.

Шешім. Метанның жану реакциясының энтальпиясы

CH 4 (г) + 2O 2 (г) = CO 2 (г) + 2H 2 O (г)

298 К кезінде мынаған тең:

94,1 + 2 (-57,8) - (-17,9) = -191,8 ккал/моль.

Температураның функциясы ретінде жылу сыйымдылықтарының айырмашылығын табайық:

C б = C б(CO2) + 2 C б(H 2 O (г)) - C б(CH 4) - 2 C б(O2) =
= 5.16 - 0.0094Т(кал/(моль К)).

1000 К реакцияның энтальпиясы Кирхгоф теңдеуімен есептеледі:

= + = -191800 + 5.16
(1000-298) - 0,0094 (1000 2 -298 2)/2 = -192500 кал/моль.

Жауап. -192,5 ккал/моль.

Тапсырмалар

3-1. 500 г Al (м. 658 o C,) беру үшін қанша жылу қажет. Х 0 пл = 92,4 кал/г), бөлме температурасында, балқыған күйге алынған, егер C б(Al TV) = 0,183 + 1,096 10 -4 Ткал/(г К)?

3-2. 1000 К температурада ашық ыдыста өтетін CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (г) реакциясының стандартты энтальпиясы 169 кДж/моль. Бірдей температурада, бірақ жабық ыдыста өтетін бұл реакцияның жылуы қандай?

3-3. Сұйық бензолдың түзілу стандартты энтальпиясы 49,0 кДж/моль болса, 298 К температурада түзілудің стандартты ішкі энергиясын есептеңдер.

3-4. N 2 O 5 (g) түзілу энтальпиясын есептеңдер Т= 298 К келесі деректерге негізделген:

2NO(г) + O 2 (г) = 2NO 2 (г), Х 1 0 = -114,2 кДж/моль,

4NO 2 (г) + O 2 (г) = 2N 2 O 5 (г), Х 2 0 = -110,2 кДж/моль,

N 2 (г) + O 2 (г) = 2NO (г), Х 3 0 = 182,6 кДж/моль.

3-5. -глюкозаның, -фруктозаның және сахарозаның 25oС жану энтальпиялары -2802-ге тең,
-2810 және -5644 кДж/моль. Сахарозаның гидролиз жылуын есептеңіз.

3-6. B 2 H 6 (g) диборанның түзілу энтальпиясын анықтаңыз Т= 298 К келесі деректерден:

B 2 H 6 (g) + 3O 2 (g) = B 2 O 3 (tv) + 3H 2 O (g), Х 1 0 = -2035,6 кДж/моль,

2B(tv) + 3/2 O 2 (g) = B 2 O 3 (теледидар), Х 2 0 = -1273,5 кДж/моль,

H 2 (г) + 1/2 O 2 (г) = H 2 O (г), Х 3 0 = -241,8 кДж/моль.

3-7. Қарапайым заттардан мырыш сульфатының түзілу жылуын есептеңдер Т= 298 К келесі деректерге негізделген.

Химиялық реакцияның жылу эффектісі немесе химиялық реакцияның пайда болуына байланысты жүйенің энтальпиясының өзгеруі химиялық реакция болған жүйе қабылдаған химиялық айнымалының өзгеруіне байланысты жылу мөлшері және реакция. өнімдер әрекеттесуші заттардың температурасын қабылдады.

Жылу эффектісі тек жүріп жатқан химиялық реакцияның табиғатына тәуелді шама болуы үшін келесі шарттар орындалуы керек:

· Реакция не Q v тұрақты көлемде (изохоралық процесс) немесе Q p тұрақты қысымда (изобарлық процесс) жүруі керек.

· Жүйеде P = const кезінде мүмкін болатын кеңейту жұмыстарынан басқа ешқандай жұмыс орындалмайды.

Егер реакция стандартты жағдайларда T = 298,15 K = 25 ˚C және P = 1 атм = 101325 Па температурада жүргізілсе, жылу эффектісі реакцияның стандартты жылу эффектісі немесе реакцияның стандартты энтальпиясы ΔH r O деп аталады. Термохимияда реакцияның стандартты жылуы стандартты түзілу энтальпиялары арқылы есептеледі.

Стандартты түзілу энтальпиясы (стандартты түзілу жылуы)

Стандартты түзілу жылуы деп тұрақты стандарттық күйдегі жай заттар мен оның құрамдас бөліктерінен бір моль зат түзілу реакциясының жылу эффектісі түсініледі.

Мысалы, көміртегі мен сутектен 1 моль метан түзілудің стандарт энтальпиясы реакцияның жылу эффектісіне тең:

C(tv) + 2H 2 (г) = CH 4 (г) + 76 кДж/моль.

Түзілудің стандартты энтальпиясы ΔHfO деп белгіленеді. Мұндағы f индексі түзілуді білдіреді, ал Plimsol дискісін еске түсіретін сызылған шеңбер мәннің заттың стандартты күйіне қатысты екенін білдіреді. Әдебиеттерде стандартты энтальпияның басқа белгісі жиі кездеседі - ΔH 298,15 0, мұнда 0 бір атмосфераға қысымның теңдігін (немесе, дәлірек айтқанда, стандартты шарттар) және 298,15 - температураны көрсетеді. Кейде 0 индексі таза затқа қатысты шамалар үшін пайдаланылады, ол тек таза зат стандартты күй ретінде таңдалған кезде ғана стандартты термодинамикалық шамаларды белгілеу үшін пайдаланылуы мүмкін екенін білдіреді. Мысалы, өте сұйылтылған ерітіндідегі заттың күйін де стандарт ретінде қабылдауға болады. «Plimsoll дискі» бұл жағдайда оның таңдауына қарамастан материяның нақты стандартты күйін білдіреді.

Қарапайым заттардың түзілу энтальпиясы нөлге тең қабылданады, ал түзілу энтальпиясының нөлдік мәні T = 298 К кезінде тұрақты агрегация күйіне жатады. Мысалы, кристалдық күйдегі йод үшін ΔH I2(s) 0 = 0 кДж/моль, ал сұйық йод үшін ΔH I2 (г) 0 = 22 кДж/моль. Стандартты жағдайда қарапайым заттардың түзілу энтальпиялары олардың негізгі энергетикалық сипаттамалары болып табылады.

Кез келген реакцияның жылу эффектісі барлық өнімдердің түзілу жылуларының қосындысы мен берілген реакциядағы барлық әрекеттесуші заттардың түзілу жылуларының қосындысы арасындағы айырма ретінде табылады (Гесс заңының салдары):

ΔH реакциясы O = ΣΔH f O (өнімдер) - ΣΔH f O (реагенттер)

Термохимиялық әсерлерді химиялық реакцияларға қосуға болады. Бөлінетін немесе жұтылған жылу мөлшерін көрсететін химиялық теңдеулер термохимиялық теңдеулер деп аталады. Қоршаған ортаға жылудың бөлінуімен жүретін реакциялар теріс термиялық әсер етеді және экзотермиялық деп аталады. Жылудың жұтылуымен жүретін реакциялар оң жылу эффектісіне ие және олар эндотермиялық деп аталады. Жылу эффектісі әдетте стехиометриялық коэффициенті максималды болатын реакцияға түскен бастапқы материалдың бір мольіне жатады.

Реакцияның жылу эффектісінің (энтальпияның) температураға тәуелділігі

Реакция энтальпиясының температураға тәуелділігін есептеу үшін реакцияға қатысатын заттардың молярлық жылу сыйымдылықтарын білу қажет. Температураның T 1-ден T 2-ге көтерілуімен реакция энтальпиясының өзгеруі Кирхгоф заңы бойынша есептеледі (бұл температура диапазонында молярлық жылу сыйымдылықтары температураға тәуелді емес және фазалық түрлендірулер болмайды деп есептеледі):

Егер фазалық түрлендірулер берілген температура диапазонында орын алса, онда есептеу кезінде сәйкес түрлендірулердің жылуларын, сондай-ақ осындай түрлендірулерден өткен заттардың жылу сыйымдылығының температураға тәуелділігінің өзгеруін ескеру қажет:

мұндағы ΔC p (T 1 ,T f) - температура диапазонындағы жылу сыйымдылығының T 1-ден фазалық ауысу температурасына дейінгі өзгеруі; ΔC p (T f ,T 2) - фазалық ауысу температурасынан соңғы температураға дейінгі температура диапазонындағы жылу сыйымдылығының өзгеруі, ал T f - фазалық ауысу температурасы.

Жанудың стандартты энтальпиясы ΔH hor o, оттегідегі бір моль заттың жану реакциясының ең жоғары тотығу дәрежесіндегі оксидтердің пайда болуына термиялық әсері. Жанбайтын заттардың жану жылуы нөлге тең деп қабылданады.

Ерітіндінің стандартты энтальпиясы ΔH ерітіндісі, еріткіштің шексіз көп мөлшерінде 1 моль затты еріту процесінің жылу эффектісі. Ол кристалдық тордың бұзылу жылуынан және еріткіш молекулаларының молекулалармен немесе еріген заттың иондарымен әрекеттесу нәтижесінде бөлінетін гидратация жылуынан (немесе сулы емес ерітінділер үшін сольватация жылуынан) тұрады. өзгермелі құрамды қосылыстардың – гидраттардың (сольваттардың). Кристалл торының бұзылуы, әдетте, эндотермиялық процесс - ΔH resh > 0, ал иондардың гидратациясы экзотермиялық, ΔH гидр.< 0. В зависимости от соотношения значений ΔH реш и ΔH гидр энтальпия растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Так растворение кристаллического гидроксида калия сопровождается выделением тепла:

ΔH ерітіндісіKOH o = ΔH шешу o + ΔH hydrK +o + ΔH hydroOH −o = −59 КДж/моль

Гидратация энтальпиясы – ΔH гидр, вакуумнан ерітіндіге 1 моль ион өткенде бөлінетін жылуды айтады.

Бейтараптандырудың стандартты энтальпиясы – стандартты жағдайларда 1 моль су түзілген күшті қышқылдар мен негіздердің реакциясының ΔH нейтрондық энтальпиясы:

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O

H + + OH − = H 2 O, ΔH нейтр ° = -55,9 кДж/моль

Күшті электролиттердің концентрлі ерітінділері үшін бейтараптандырудың стандартты энтальпиясы сұйылтылған кезде иондардың гидратациясының ΔH мәнінің өзгеруіне байланысты ион концентрациясына байланысты.

Энтальпия – заттың жылуға айналуы мүмкін энергия мөлшерін көрсететін қасиеті.

Энтальпия – заттың молекулалық құрылымында жинақталған энергия деңгейін көрсететін термодинамикалық қасиеті. Бұл зат температура мен қысымға негізделген энергияға ие болғанымен, оның барлығын жылуға айналдыру мүмкін емес дегенді білдіреді. Ішкі энергияның бір бөлігі әрқашан затта қалады және оның молекулалық құрылымын сақтайды. Заттың кинетикалық энергиясының бір бөлігі оның температурасы температураға жақындағанда қол жетімсіз болады қоршаған орта. Демек, энтальпия - белгілі бір температура мен қысымда жылуға айналуға болатын энергия мөлшері. Энтальпияның өлшем бірліктері британдық жылу бірлігі немесе энергия үшін джоуль және нақты энергия үшін Btu/lbm немесе Дж/кг болып табылады.

Энтальпияның мөлшері

Заттың энтальпия мөлшері оның берілген температурасына негізделген. Бұл температура ғалымдар мен инженерлер есептеулер үшін негіз ретінде таңдайтын шама болып табылады. Бұл заттың энтальпиясы нөлге тең болатын температура J. Басқаша айтқанда, заттың жылуға айналатын қол жетімді энергиясы жоқ. Бұл температура әртүрлі заттар үшін әртүрлі. Мысалы, судың бұл температурасы үштік нүкте (0 °C), азот -150 °C және метан және этан негізіндегі тоңазытқыштар -40 °C.

Егер заттың температурасы берілген температурадан жоғары болса немесе берілген температурада күйін газ күйіне ауыстырса, энтальпия оң сан ретінде көрсетіледі. Керісінше, осыдан төмен температурада заттың энтальпиясы теріс сан ретінде өрнектеледі. Энтальпия екі күй арасындағы энергия деңгейлерінің айырмашылығын анықтау үшін есептеулерде қолданылады. Бұл жабдықты орнату және процестің тиімділігін анықтау үшін қажет.

Энтальпия көбінесе заттың жалпы энергиясы ретінде анықталады, өйткені ол жұмыс істеу қабілетімен (pv) берілген күйдегі оның ішкі энергиясының (u) қосындысына тең. Бірақ шын мәнінде энтальпия абсолютті нөлден (-273°С) жоғары берілген температурада заттың жалпы энергиясын көрсетпейді. Сондықтан энтальпияны заттың жалпы жылуы ретінде анықтаудан гөрі, ол заттың жылуға айналуы мүмкін қолда бар энергиясының жалпы мөлшері ретінде дәлірек анықталады.
H = U + pV

HESS ЗАҢЫ: химияның жылу эффектісі. r-ция жүйенің бастапқы және соңғы күйлеріне ғана тәуелді және оның интервалдарына тәуелді емес. мемлекеттер. G. z. химиялық реакциялар жүретін жүйелер үшін энергияның сақталу заңының өрнегі болып табылады. r-ция және термодинамиканың бірінші заңының салдары, дегенмен ол бірінші заңнан ертерек тұжырымдалған. Тұрақты көлемде немесе тұрақты қысымда жүретін процестер үшін жарамды; біріншісі үшін жылу эффектісі ішкі өзгеріске тең химиялық әсерге байланысты жүйенің энергиясы r-ция, екіншісі үшін – энтальпияның өзгеруі. Аудандардың жылу әсерлерін есептеу үшін, соның ішінде. іс жүзінде мүмкін емес, термохимиялық жүйені құрайды. берілген температурадағы сәйкес жылу әсерлерімен бірге жазылған аудандардың теңдеулерін көрсететін теңдеулер. Бұл жағдайда әрекеттесетін заттардың агрегаттық күйін көрсету маңызды, өйткені Ауданның жылу эффектісінің шамасы осыған байланысты.

Термохимиялық жүйе Теңдеуді қарапайым математика мүшелері сияқты бірдей күйдегі формулалармен жұмыс істеу арқылы шешуге болады. ур.

РЕСЕЙ ФЕДЕРАЦИЯСЫНЫҢ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ

Воронеж мемлекеттік техникалық университеті

КУРС ЖОБАСЫ

«Прогрессивті технологияның теориялық негіздері» пәні бойынша

Тақырыбы: «Химиялық реакцияның жылу эффектісі және оның практикалық қолданылуы».

Воронеж 2004 ж

Кіріспе………………………………………………………………………………	3
1. Химиялық реакцияның жылу эффектісі……………………………….	4
1.1. Химиялық реакция теңдеулері……………………………	8
1.2. Термохимияның негізгі заңдары……………………………….	10
2. Жылу эффектінің тәжірибеде қолданылуы……………………………	12
2.1 Ыстыққа төзімді жабындар……………………………….	1
2.2.Алмазды өңдеудің термохимиялық әдісі………………….	14
2.3. Цемент өндіруге арналған техногендік шикізат………………	15
2.4. Биосенсорлар………………………………………………….	16
Қорытынды…………………………………………………………….	17
Әдебиеттер тізімі……………………………………………………	18

Кіріспе

Химиялық реакциялардың жылу эффектілері көптеген техникалық есептеулер үшін қажет. Олар көптеген салаларда, сондай-ақ әскери әзірлемелерде кеңінен қолданылады.

Бұл курстық жұмыстың мақсаты жылу эффектінің практикалық қолданылуын зерттеу болып табылады. Біз оны қолданудың кейбір нұсқаларын қарастырамыз және қазіргі заманғы технологиялардың дамуы жағдайында химиялық реакциялардың жылу эффектілерін пайдаланудың қаншалықты маңызды екенін анықтаймыз.

1. Химиялық реакцияның жылу эффектісі

Әрбір зат белгілі бір мөлшерде энергияны сақтайды. Заттардың бұл қасиетін біз таңғы ас, түскі немесе кешкі ас кезінде кездестіреміз, өйткені тағам ағзамызға тағамның құрамындағы әртүрлі химиялық қосылыстардың энергиясын пайдалануға мүмкіндік береді. Денеде бұл энергия қозғалысқа, жұмысқа айналады және тұрақты (және айтарлықтай жоғары!) дене температурасын ұстауға жұмсалады.

Термохимия саласында еңбек еткен атақты ғалымдардың бірі – Бертелот. Бертело - Париждегі Жоғары фармацевтикалық мектептің химия профессоры (1859). Білім және сыртқы істер министрі.

1865 жылдан бастап Бертелот термохимиямен белсенді түрде айналысты және ауқымды калориметриялық зерттеулер жүргізді, бұл, атап айтқанда, «калориметриялық бомбаның» (1881) өнертабысына әкелді; ол «экзотермиялық» және «эндотермиялық» реакциялар ұғымдарына ие. Бертело көптеген реакциялардың жылу эффектілері, көптеген заттардың ыдырауы мен түзілу жылуы туралы кең көлемді мәліметтер алды.

Бертело жарылғыш заттардың әсерін зерттеді: жарылыс температурасы, жану жылдамдығы және жарылыс толқынының таралуы және т.б.

Химиялық қосылыстардың энергиясы негізінен химиялық байланыстарда шоғырланған. Екі атом арасындағы байланысты үзу үшін энергия қажет. Химиялық байланыс түзілгенде энергия бөлінеді.

Кез келген химиялық реакция кейбір химиялық байланыстарды үзіп, басқаларын түзуден тұрады.

Жаңа байланыстардың пайда болуы кезінде химиялық реакция нәтижесінде бастапқы заттардағы «ескі» байланыстарды жою үшін қажет болатын энергиядан көбірек энергия бөлінсе, артық энергия жылу түрінде бөлінеді. Мысалы, жану реакциялары. Мысалы, табиғи газ (метан СН 4) ауадағы оттегіде жанып, көп мөлшерде жылу бөледі (1а-сурет). Мұндай реакциялар экзотермиялық.

Жылудың бөлінуімен жүретін реакциялар оң жылу эффектісін көрсетеді (Q>0, DH<0) и называются экзотермическими.

Басқа жағдайларда бастапқы заттардағы байланыстардың бұзылуы жаңа байланыстардың пайда болуы кезінде бөлінетін энергиядан көп энергияны қажет етеді. Мұндай реакциялар энергия сырттан берілгенде ғана жүреді және олар эндотермиялық деп аталады.

Қоршаған ортадан жылуды сіңірумен болатын реакциялар (Q<0, DH>0), яғни. теріс термиялық әсері бар, эндотермиялық.

Мысал ретінде көмір мен судан көміртек оксиді (II) СО және сутегі Н2 түзілуін келтіруге болады, ол тек қыздырғанда пайда болады (1б-сурет).

Күріш. 1а

Күріш. 1б

Күріш. 1а,б. Молекулалық модельдер арқылы химиялық реакцияларды бейнелеу: а) экзотермиялық реакция, б) эндотермиялық реакция. Модельдер олардың арасындағы атомдардың тұрақты санымен ескі химиялық байланыстардың қалай жойылатынын және жаңа химиялық байланыстардың қалай пайда болатынын анық көрсетеді.

Осылайша, кез келген химиялық реакция энергияның бөлінуімен немесе жұтылуымен бірге жүреді. Көбінесе энергия жылу түрінде бөлінеді немесе жұтылады (сирек жағдайда жарық немесе механикалық энергия түрінде). Бұл жылуды өлшеуге болады. Өлшеу нәтижесі бір моль әрекеттесуші зат үшін немесе бір моль реакция өнімі үшін (сирек жағдайда) килоджоульмен (кДж) көрсетіледі. Бұл шаманы реакцияның жылу эффектісі деп атайды.

Жылу эффектісі – химиялық жүйеде химиялық реакция болған кезде бөлінетін немесе сіңіретін жылу мөлшері.

Жылу эффектісі Q немесе DH (Q = -DH) таңбаларымен белгіленеді. Оның мәні реакцияның бастапқы және соңғы күйлерінің энергияларының айырмашылығына сәйкес келеді:

DH = H соңы - H реф.

= E con. - Е реф.

(d), (g) белгішелер заттардың газ және сұйық күйлерін көрсетеді. Сондай-ақ (tv) немесе (k) - қатты, кристалды зат, (ақ) - суда еріген зат және т.б. белгілеулері бар.

Заттың агрегаттық күйін белгілеу маңызды. Мысалы, сутектің жану реакциясында су бастапқыда бу (газ күйі) түрінде пайда болады, оның конденсациялануы кезінде біршама көбірек энергия бөлінуі мүмкін. Демек, сұйықтық түріндегі судың пайда болуы үшін реакцияның өлшенген жылу әсері тек будың пайда болуына қарағанда сәл жоғары болады, өйткені бу конденсацияланған кезде жылудың басқа бөлігі бөлінеді.

Реакцияның жылу эффектісінің ерекше жағдайы да қолданылады - жану жылуы. Атауының өзінен жану жылуы отын ретінде қолданылатын затты сипаттайтыны анық. Жану жылуы отын болып табылатын заттың 1 мольіне жатады (тотығу реакциясындағы тотықсыздандырғыш), мысалы:

Молекулаларда жинақталған энергияны (Е) энергетикалық шкалада салуға болады. Бұл жағдайда реакцияның жылу эффектісін (D E) графикалық түрде көрсетуге болады (2-сурет). 2-сурет. Жылу эффектінің графикалық көрінісі (Q = D E):А ) сутегінің жануының экзотермиялық реакциясы;б

) электр тогының әсерінен судың ыдырауының эндотермиялық реакциясы. Реакция координатын (графиктің көлденең осін), мысалы, заттардың айналу дәрежесі ретінде қарастыруға болады (100% - бастапқы заттардың толық түрленуі).

· Реакцияның жылу эффектісі реагенттермен және өнімдермен бірге жазылатын химиялық реакциялардың теңдеулері термохимиялық теңдеулер деп аталады.

Термохимиялық теңдеулердің ерекшелігі олармен жұмыс істегенде заттардың формулаларын және жылу әсерлерінің шамасын теңдеудің бір бөлігінен екінші бөлігіне беруге болады. Әдетте, бұл химиялық реакциялардың қарапайым теңдеулерімен жасалмайды.

Термохимиялық теңдеулерді тоқсан сайын қосу және азайтуға да рұқсат етіледі. Бұл тәжірибе арқылы өлшеу қиын немесе мүмкін емес реакциялардың жылу әсерлерін анықтау үшін қажет болуы мүмкін.

Мысал келтірейік. Зертханада көміртектің сутегімен тікелей қосылуы арқылы CH4 метан алудың «таза түрдегі» реакциясын жүргізу өте қиын:

C + 2 H 2 = CH 4

Бірақ есептеулер арқылы сіз бұл реакция туралы көп нәрсені біле аласыз. Мысалы, бұл реакция экзо болатынын біліңіз - немесе эндотермиялық, тіпті термиялық әсердің шамасын сандық түрде анықтайды.

Метанның, көміртегінің және сутегінің жану реакцияларының жылу әсерлері белгілі (бұл реакциялар оңай жүреді):

а) CH 4 (г) + 2 O 2 (г) = CO 2 (г) + 2 H 2 O (л) + 890 кДж

б) C(tv) + O 2 (г) = CO 2 (г) + 394 кДж

в) 2 H 2 (г) + O 2 (г) = 2 H 2 O (л) + 572 кДж

(а) теңдеуінен соңғы екі (b) және (c) теңдеулерін алып тастаймыз. Сол жақтан теңдеулердің сол жақтарын, оң жақтан оң жақтарын алып тастаймыз. Бұл жағдайда барлық O 2, CO 2 және H 2 O молекулалары қысқарады:

CH 4 (g) - C (tv) - 2 H 2 (g) = (890 - 394 - 572) кДж = -76 кДж

Бұл теңдеу біршама ерекше көрінеді. Теңдеудің екі жағын (-1) көбейтіп, CH 4-ті қарама-қарсы таңбамен оң жаққа жылжытайық. Көмір мен сутектен метанның түзілуіне қажетті теңдеуді аламыз:

C(tv) + 2 H 2 (г) = CH 4 (г) + 76 кДж/моль

Сонымен, біздің есептеулеріміз көміртек пен сутектен метанның пайда болуының жылу эффектісі 76 кДж (метанның бір мольіне) тең екенін және бұл процесс экзотермиялық болуы керек екенін көрсетті (бұл реакцияда энергия бөлінеді).

Термохимиялық теңдеулерде термо-мүшелік қосу, алу және азайту тек агрегаттық күйде болатын заттар ғана болуы мүмкін екеніне назар аудару керек, әйтпесе термиялық әсерді анықтауда қателік жібереміз. агрегацияның бір күйінен екіншісіне өту жылуы.

1.2. Термохимияның негізгі заңдары

· Химиялық реакциялардағы энергияның түрленуін зерттейтін химия саласы термохимия деп аталады.

Термохимияның ең маңызды екі заңы бар. Олардың біріншісі, Лавуазье-Лаплас заңы келесідей тұжырымдалған:

· Тура реакцияның жылу эффектісі әрқашан қарама-қарсы таңбалы кері реакцияның жылу эффектісіне тең.

Бұл кез келген қосылыс түзілу кезінде оның бастапқы заттарға ыдырауы кезінде жұтылатын (бөлінетін) энергия мөлшерінің бөлінетінін (сіңірілетінін) білдіреді. Мысалы:

2 H 2 (г) + O 2 (г) 2 H 2 O (l) + 572 кДж (сутегінің оттегіде жануы)

2 H 2 O (l) + 572 кДж = 2 H 2 (г) + O 2 (г) (судың электр тогымен ыдырауы)

Лавуазье-Лаплас заңы энергияның сақталу заңының салдары болып табылады.

Термохимияның екінші заңын 1840 жылы орыс академигі Г.И.Гесс тұжырымдаған:

· Реакцияның жылу эффектісі заттардың бастапқы және соңғы күйлеріне ғана тәуелді және процестің аралық сатыларына тәуелді емес.

Бұл тізбекті реакциялар қатарының жалпы жылу эффектісі, егер осы қатарлардың басында және соңында бастапқы және соңғы заттар бірдей болса, кез келген басқа реакциялар қатарымен бірдей болады дегенді білдіреді. Термохимияның осы екі негізгі заңы термохимиялық теңдеулерге математикалық теңдеулерге біршама ұқсастық береді, бұл кезде реакция теңдеулерінде мүшелерді бір бөліктен екінші бөлікке ауыстыруға, химиялық қосылыстардың формулаларын мүше бойынша қосуға, азайтуға және азайтуға болады. Бұл жағдайда реакция теңдеулеріндегі коэффициенттерді ескеру қажет және моль бойынша қосылатын, алынатын немесе азайтылатын заттардың бірдей агрегаттық күйде болуы керек екенін ұмытпау керек.

2. Жылу эффектісін тәжірибеде қолдану

Химиялық реакциялардың жылу эффектілері көптеген техникалық есептеулер үшін қажет. Мысалы, ғарыш аппараттары мен басқа да пайдалы жүктерді орбитаға шығаруға қабілетті ресейлік қуатты «Энергия» зымыранын алайық. Оның бір сатысының қозғалтқыштары сұйытылған газдар – сутегі мен оттегімен жұмыс істейді.

Жер бетінен орбитаға жүкті зымыранмен жеткізуге жұмсалатын жұмысты (кДж-мен) білеміз делік, сонымен қатар ұшу кезінде ауа кедергісін және басқа энергия шығындарын еңсеру жұмысын білеміз. Бұл зымыран отын және тотықтырғыш ретінде пайдаланылатын сутегі мен оттегінің қажетті қорын қалай есептеуге болады (сұйытылған күйде)?

Сутегі мен оттегіден судың пайда болу реакциясының жылу эффектісінсіз мұны істеу қиын. Өйткені, жылу эффектісі зымыранды орбитаға шығаруға тиісті энергияның өзі. Зымыранның жану камераларында бұл жылу ыстық газ (бу) молекулаларының кинетикалық энергиясына айналады, ол саптамалардан шығып, реактивті соққыны тудырады.

Химия өнеркәсібінде жылу эффектілері эндотермиялық реакциялар жүретін реакторларды қыздыруға келетін жылу мөлшерін есептеу үшін қажет. Энергетика саласында жылу энергиясын өндіру отынның жану жылуын пайдалана отырып есептеледі.

Диетологтар тек емделушілер үшін ғана емес, сонымен қатар сау адамдар - спортшылар, әртүрлі кәсіптегі жұмысшылар үшін дұрыс диетаны құру үшін ағзадағы тағамның тотығуының термиялық әсерін пайдаланады. Дәстүрлі түрде мұнда есептеулер джоульді емес, басқа энергия бірліктерін – калорияларды (1 кал = 4,1868 Дж) пайдаланады. Тағамның энергетикалық мазмұны тағам өнімдерінің кез келген массасына жатады: 1 г, 100 г, тіпті өнімнің стандартты орамасы. Мысалы, қоюландырылған сүт құтысының жапсырмасында келесі жазуды оқуға болады: «калория мөлшері 320 ккал/100 г».

Жылу эффектісі алмастырылған ароматты аминдер класына жататын монометиланилинді алу кезінде есептеледі. Монометиланилинді қолданудың негізгі саласы бензинге қарсы соғуға қарсы қоспа ретінде. Бояғыштар өндірісінде монометиланилинді қолдануға болады. Коммерциялық монометиланилин (N-метиланилин) катализаттан мерзімді немесе үздіксіз ректификация арқылы бөлініп алынады. Реакцияның жылу эффектісі ∆Н= -14±5 кДж/моль.

2.1 Ыстыққа төзімді жабындар

Жоғары температура технологиясының дамуы әсіресе ыстыққа төзімді материалдарды жасауды қажет етеді. Бұл мәселені отқа төзімді және ыстыққа төзімді металдарды қолдану арқылы шешуге болады. Интерметалл жабындары барған сайын назар аударады, өйткені олардың көптеген құнды қасиеттері бар: тотығуға төзімділік, агрессивті балқымалар, ыстыққа төзімділік және т.б. Бұл қосылыстардың олардың құрамдас элементтерінен түзілуінің маңызды экзотермиялық қасиеті де қызығушылық тудырады. Біріншісі – композициялық, екі қабатты ұнтақтарды өндіру. Қыздырған кезде ұнтақтың құрамдас бөліктері өзара әрекеттеседі, ал экзотермиялық реакцияның жылуы бөлшектердің салқындатылуын өтейді, қорғалған бетке толығымен балқыған күйде жетеді және негізге мықтап жабысқан кеуектілігі төмен жабынды құрайды. Тағы бір нұсқа - ұнтақтардың механикалық қоспасын қолдану. Бөлшектер жеткілікті қыздырылған кезде, олар жабын қабатында өзара әрекеттеседі. Егер жылу әсерінің шамасы маңызды болса, онда бұл жабын қабатының өздігінен балқуына, адгезияның беріктігін арттыратын аралық диффузиялық қабаттың пайда болуына және тығыз, кеуектілігі төмен жабын құрылымын алуға әкелуі мүмкін. Үлкен термиялық әсері бар интерметалдық жабынды құрайтын және көптеген құнды қасиеттерге ие композицияны таңдаған кезде - коррозияға төзімділік, жеткілікті ыстыққа төзімділік және тозуға төзімділік, никель алюминидтері, атап айтқанда NiAl және Ni 3 Al назар аударады. NiAl түзілуі максималды термиялық әсермен бірге жүреді.

2.2.Алмазды өңдеудің термохимиялық әдісі

«Термохимиялық» әдіс жоғары температурада пайда болуына байланысты өз атауын алды және алмаздың химиялық қасиеттерін пайдалануға негізделген. Әдіс келесідей жүзеге асырылады: алмаз көміртекті ерітуге қабілетті металмен жанасады және еріту немесе өңдеу процесі үздіксіз жүруі үшін оны газда еріген көміртегімен әрекеттесетін газ атмосферасында жүзеге асырады. металл, бірақ алмаспен тікелей әрекеттеспейді. Процесс барысында жылу эффектінің шамасы жоғары мәнге ие болады.

Алмазды термохимиялық өңдеудің оңтайлы шарттарын анықтау және әдістің мүмкіндіктерін анықтау үшін әдебиеттерді талдау көрсеткендей, мүлдем зерттелмеген кейбір химиялық процестердің механизмдерін зерттеу қажет болды. Алмазды термохимиялық өңдеуді неғұрлым нақты зерттеуге, ең алдымен, алмаздың өзінің қасиеттерін жеткіліксіз білу кедергі болды. Олар оны жылумен бүлдіремін деп қорықты. Алмаздың термиялық тұрақтылығы туралы зерттеулер соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілді. Құрамында қосындылары жоқ гауһар тастарды бейтарап атмосферада немесе вакуумда 1850 «С» дейін қыздыруға болатыны, оларға ешбір зиян тигізбей, тек одан жоғарырақ болатыны анықталды.

Алмаз - бірегей қаттылығы, икемділігі және биологиялық тіндерге қарсы төмен үйкеліс арқасында ең жақсы жүздік материал. Алмаз пышақтармен жұмыс жасау операцияларды жеңілдетеді және тіліктердің жазылу уақытын 2-3 есе қысқартады. Көз микрохирургиясы бойынша МНТК микрохирургтарының пікірінше, термохимиялық әдіспен қайралған пышақтар ең жақсы шетелдік үлгілерден кем емес, сапасы жағынан да жоғары. Термохимиялық қайраған пышақтармен мыңдаған операциялар жасалды. Әртүрлі конфигурациядағы және өлшемдегі алмас пышақтары медицина мен биологияның басқа салаларында қолданылуы мүмкін. Осылайша, микротомдар электронды микроскопияда препараттар жасау үшін қолданылады. Электрондық микроскоптың жоғары ажыратымдылығы үлгілер қимасының қалыңдығы мен сапасына ерекше талаптар қояды. Термохимиялық әдіспен қайраған алмаз микротомдары қажетті сападағы кесінділерді шығаруға мүмкіндік береді.

2.3. Цемент өндірісінің техногендік шикізаты

Цемент өндірісін одан әрі қарқындату әртүрлі өндірістердің қалдықтарын пайдалана отырып, энергия және ресурс үнемдейтін технологияларды кеңінен енгізуді көздейді.

Скарн-магнетитті рудаларды өңдеу кезінде түйіршіктері 25 мм-ге дейінгі қиыршық тас материалы болып табылатын құрғақ магниттік сепараторлық (ДМС) қалдықтары шығарылады. СМС қалдықтарының жеткілікті тұрақты химиялық құрамы бар, масс.%: SiO 2 40...45, Al 2 O 3 10...12, Fe 2 O 3 15...17, CaO 12...13, MgO 5 ...6, S 2...3, R 2 O 2...4. Портландцемент клинкерін өндіруде SMS қалдықтарын қолдану мүмкіндігі дәлелденді. Алынған цементтер жоғары беріктік қасиеттерімен сипатталады.

Клинкер түзілудің жылу эффектісі (ТЭК) эндотермиялық процестердің (әктастың декарбонизациясы, сазды минералдардың сусыздануы, сұйық фазаның түзілуі) және экзотермиялық реакциялардың (КМС қалдықтарымен енгізілген пириттің тотығуы, түзілу) жылуларының алгебралық қосындысы ретінде анықталады. клинкер фазалары).

Цемент өндірісінде скарн-магнетит кен байыту қалдықтарын пайдаланудың негізгі артықшылықтары:

Техногендік көздер есебінен шикізат базасын кеңейту;

Цемент сапасын сақтай отырып, табиғи шикізатты үнемдеу;

Клинкерді күйдіру үшін отын-энергетикалық шығындарды азайту;

энергиясы аз активті төмен негізді клинкерлерді өндіру мүмкіндігі;

Қалдықтарды ұтымды жою және клинкерді күйдіру кезінде атмосфераға газ шығарындыларын азайту арқылы экологиялық мәселелерді шешу.

2.4. Биосенсорлар

Биосенсорлар – иммобилизацияланған ферменттерге негізделген сенсорлар. Күрделі, көп компонентті заттардың қоспаларын тез және тиімді талдауға мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта олар ғылымның, өндірістің, ауыл шаруашылығының және денсаулық сақтаудың бірқатар салаларында көбірек қолданылады. Автоматты ферментативті талдау жүйелерін құрудың негізі энзимология және инженерлік энзимология саласындағы соңғы жетістіктер болды. Ферменттердің бірегей қасиеттері - әсер ету ерекшелігі және жоғары каталитикалық белсенділік - бұл аналитикалық әдістің қарапайымдылығы мен жоғары сезімталдығына ықпал етеді, ал бүгінгі күнге дейін белгілі және зерттелген ферменттердің көп саны талданатын заттардың тізімін үнемі кеңейтуге мүмкіндік береді.

Ферменттік микрокалориметриялық датчиктер – ферментативті реакцияның жылу эффектісін қолданады. Ол иммобилизацияланған ферменті бар тасымалдаушымен толтырылған және термисторлармен жабдықталған екі бағанадан (өлшеу және бақылау) тұрады. Талданатын үлгіні өлшеу колонкасынан өткізген кезде тіркелген жылу эффектісімен бірге жүретін химиялық реакция жүреді. Сенсордың бұл түрі оның әмбебаптығымен қызықты.

Қорытынды.

Сонымен, химиялық реакциялардың жылу эффектісінің практикалық қолданылуын талдағаннан кейін мынандай қорытынды жасауға болады: жылу эффектісі біздің күнделікті өмірімізбен тығыз байланысты, ол үнемі зерттелуде және тәжірибеде жаңа қолдануды табуда.

Заманауи технологиялардың дамуымен жылы әсер әртүрлі салаларда қолданылуын тапты. Химия, әскери, құрылыс, тамақ өнеркәсібі, тау-кен өнеркәсібі және басқа да көптеген салалар өздерінің әзірлемелерінде жылу эффектісін пайдаланады. Ол іштен жанатын қозғалтқыштарда, тоңазытқыш қондырғыларында және әртүрлі жану құрылғыларында, сондай-ақ хирургиялық аспаптарды, ыстыққа төзімді жабындарды, құрылыс материалдарының жаңа түрлерін және т.б.

Үнемі дамып келе жатқан ғылымның қазіргі жағдайында біз өндіріс саласында барған сайын жаңа әзірлемелер мен жаңалықтардың пайда болуын байқаймыз. Бұл химиялық реакциялардың жылу эффектісін қолданудың көбірек жаңа салаларын талап етеді.

Анықтамалар

1. Мұсабеков Ю. С., Марселин Бертелот, М., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929.

2. Патент 852586 Ресей Федерациясы. MKI V 28 D 5/00. Алмазды өлшемді өңдеу әдісі / А.П.Григорьев, С.Х.Лифшиц, П.П.Шамаев (Ресей Федерациясы). - 2 с.

3. Классен В.К. . Жылу қондырғыларының материалдық балансы. – Белгород: БТИСМ, 1978. –114 б.

4. Перегудов В.В., Роговой М.И. Құрылыс бұйымдары мен бөлшектерінің технологиясындағы жылу процестері мен қондырғылары – М.: Стройиздат, 1983.-416 б.

5. Электрондық пошта: [электрондық пошта қорғалған]

6. «Биотехнологиялар» (http://www.ictc.ru/R_42.htm).

7. С.Д. Варфоломеев, Ю.М. Евдокимов, М.А. Островский. «РЕСЕЙ ҒЫЛЫМ АКАДЕМИЯСЫНЫҢ ХАБАРШЫСЫ».

Көптеген адамдар химия сабақтарында «химиялық реакцияның жылу эффектісі» терминімен таныс болғанымен, ол соған қарамастан кеңірек қолданылады. Бұл құбылыс қолданылмайтын кез келген қызмет саласын елестету қиын.

Олардың кейбіреулеріне мысал келтірейік, бұл жерде реакцияның жылу эффектісін білу қажет. Қазіргі уақытта автомобиль өнеркәсібі фантастикалық қарқынмен дамып келеді: автомобильдер саны жыл сайын бірнеше есе артып келеді. Сонымен қатар, олар үшін негізгі энергия көзі бензин болып табылады (балама әзірлемелер әзірге тек бірнеше прототиптерде бейнеленген). Жанармайдың жағу күшін реттеу үшін жарылыс қарқындылығын төмендету үшін арнайы қоспалар қолданылады. Жарқын мысал - монометиланилин. Оны алған кезде реакцияның жылу эффектісі есептеледі, ол бұл жағдайда -11-19 кДж/моль болады.

Тағы бір қолдану саласы тамақ өнеркәсібі. Сөзсіз, кез келген адам белгілі бір өнімнің калориясына назар аударды. Бұл жағдайда тағамның тотығуы кезінде жылу бөлінетіндіктен, калория мөлшері мен реакцияның жылу әсері тікелей байланысты. Осы деректер негізінде диетаны түзету арқылы сіз дене салмағының айтарлықтай төмендеуіне қол жеткізе аласыз. Реакцияның жылу эффектісі джоульмен өлшенетініне қарамастан, олар мен калориялар арасында тікелей байланыс бар: 4 Дж = 1 ккал. Азық-түлік өнімдеріне қатысты әдетте есептелген мөлшер (салмағы) көрсетіледі.

Енді теорияға тоқталып, анықтама берейік. Сонымен, жылу эффектісі жүйе арқылы ағып жатқанда не шығарылатынын немесе сіңетінін көрсетеді, жылудан басқа, радиация пайда болуы мүмкін. Химиялық реакцияның жылу эффектісі сан жағынан жүйенің энергия деңгейлерінің айырмашылығына тең: бастапқы және қалдық. Егер реакция процесі кезінде жылу қоршаған кеңістіктен жұтылатын болса, онда біз эндотермиялық процесс туралы айтамыз. Осыған сәйкес жылу энергиясының бөлінуі экзотермиялық процеске тән. Оларды ажырату өте қарапайым: егер реакция нәтижесінде бөлінетін жалпы энергияның мәні оны бастауға жұмсалғандан көп болса (мысалы, отын жағудың жылу энергиясы), онда бұл экзотермия. Бірақ су мен көмірдің сутегіге ыдырауы үшін қыздыруға қосымша энергия жұмсау керек, сондықтан оның сіңірілуі жүреді (эндотермия).

Реакцияның жылу эффектісін белгілі формулалар арқылы есептеуге болады. Есептеулерде жылу эффектісі Q (немесе DH) әрпімен белгіленеді. Айырмашылық процесс типінде (эндо немесе экзо), сондықтан Q = - DH. Термохимиялық теңдеулер жылу эффектісі мен реагенттерді көрсетуді талап етеді (кері есептеу де дұрыс). Мұндай теңдеулердің ерекшелігі - жылу әсерлерінің шамасын және заттардың өзін әртүрлі бөліктерге беру мүмкіндігі. Формулалардың өздерін, бірақ есепке ала отырып, тоқсан бойынша азайтуды немесе қосуды жүзеге асыруға болады

Көміртек пен сутегінің реакцияларына мысал келтірейік:

1) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 890 кДж

2) C + O2 = CO2 + 394 кДж

3) 2Н2 + О2 = 2Н2О + 572 кДж

Енді 1-ден 2 және 3-ті азайтыңыз (оң бөліктерден оң жақ бөліктер, сол бөліктерден сол бөліктер).

Нәтижесінде біз аламыз:

CH4 - C - 2 H4 = 890 - 394 - 572 = - 76 кДж.

Егер біз барлық бөліктерді - 1-ге көбейтсек (теріс мәнді алып тастасақ), біз мынаны аламыз:

С + 2Н2 = СН4 + 76 кДж/моль.

Нәтижені қалай түсіндіре аласыз? Сутегі мен көміртектен метанның түзілуі кезінде пайда болатын жылу эффектісі өндірілген газдың әрбір мольі үшін 76 Дж болады. Сондай-ақ формулалардан оның шығарылатыны шығады, яғни біз экзотермиялық процесс туралы айтып отырмыз. Мұндай есептеулер көбінесе қиын болатын тікелей зертханалық тәжірибелерді қажет етпейді.

Немесе химиялық реакцияның пайда болуына байланысты жүйе энтальпиясының өзгеруі - химиялық реакция жүріп жатқан жүйе қабылдаған және реакция өнімдері температураны алған химиялық айнымалының өзгеруіне жатқызылған жылу мөлшері. әрекеттесуші заттар.

Жылу эффектісі тек жүріп жатқан химиялық реакцияның табиғатына тәуелді шама болуы үшін келесі шарттар орындалуы керек:

• Реакция не тұрақты көлемде жүруі керек Q v (изохоралық процесс), немесе тұрақты қысымда Q p (изобарлық процесс).
• Жүйеде P = const кезінде мүмкін болатын кеңейту жұмыстарынан басқа жұмыс орындалмайды.

Егер реакция стандартты жағдайларда T = 298,15 K = 25 ˚C және P = 1 атм = 101325 Па температурада жүргізілсе, жылу эффектісі реакцияның стандартты жылу эффектісі немесе реакцияның стандартты энтальпиясы Δ деп аталады. Х rO. Термохимияда реакцияның стандартты жылуы стандартты түзілу энтальпиялары арқылы есептеледі.

Стандартты түзілу энтальпиясы (стандартты түзілу жылуы)

Стандартты түзілу жылуы деп тұрақты стандарттық күйдегі жай заттар мен оның құрамдас бөліктерінен бір моль зат түзілу реакциясының жылу эффектісі түсініледі.

Мысалы, көміртегі мен сутектен 1 моль метан түзілудің стандарт энтальпиясы реакцияның жылу эффектісіне тең:

C(tv) + 2H 2 (г) = CH 4 (г) + 76 кДж/моль.

Түзілудің стандартты энтальпиясы Δ арқылы белгіленеді Х fO. Мұндағы f индексі түзілуді білдіреді, ал Plimsol дискісін еске түсіретін сызылған шеңбер мәннің заттың стандартты күйіне қатысты екенін білдіреді. Стандартты энтальпияның тағы бір белгісі әдебиетте жиі кездеседі - ΔH 298,15 0, мұндағы 0 бір атмосфераға тең қысымды көрсетеді (немесе дәлірек айтқанда стандартты шарттар), ал 298,15 температура. Кейде 0 индексі қатысты шамалар үшін пайдаланылады таза зат, стандартты күй ретінде таза зат таңдалғанда ғана онымен стандартты термодинамикалық шамаларды белгілеуге болатынын шарттайды. Мысалы, өте сұйылтылған ерітіндідегі заттың күйін де стандарт ретінде қабылдауға болады. «Plimsoll дискі» бұл жағдайда оның таңдауына қарамастан материяның нақты стандартты күйін білдіреді.

Қарапайым заттардың түзілу энтальпиясы нөлге тең қабылданады, ал түзілу энтальпиясының нөлдік мәні Т = 298 К кезінде тұрақты агрегаттық күйге жатады. Мысалы, кристалдық күйдегі йод үшін Δ Х I 2 (tv) 0 = 0 кДж/моль, ал сұйық йод үшін Δ Х I 2 (г) 0 = 22 кДж/моль. Стандартты жағдайда қарапайым заттардың түзілу энтальпиялары олардың негізгі энергетикалық сипаттамалары болып табылады.

Кез келген реакцияның жылу эффектісі барлық өнімдердің түзілу жылуларының қосындысы мен берілген реакциядағы барлық әрекеттесуші заттардың түзілу жылуларының қосындысы арасындағы айырма ретінде табылады (Гесс заңының салдары):

Δ Хреакция O = ΣΔ Х f O (өнімдер) - ΣΔ Х f O (реагенттер)

Термохимиялық әсерлерді химиялық реакцияларға қосуға болады. Бөлінетін немесе жұтылған жылу мөлшерін көрсететін химиялық теңдеулер термохимиялық теңдеулер деп аталады. Қоршаған ортаға жылудың бөлінуімен жүретін реакциялар теріс термиялық әсер етеді және экзотермиялық деп аталады. Жылудың жұтылуымен жүретін реакциялар оң жылу эффектісіне ие және олар эндотермиялық деп аталады. Жылу эффектісі әдетте стехиометриялық коэффициенті максималды болатын реакцияға түскен бастапқы материалдың бір мольіне жатады.

Реакцияның жылу эффектісінің (энтальпияның) температураға тәуелділігі

Реакция энтальпиясының температураға тәуелділігін есептеу үшін реакцияға қатысатын заттардың молярлық жылу сыйымдылықтарын білу қажет. Температураның T 1-ден T 2-ге көтерілуімен реакция энтальпиясының өзгеруі Кирхгоф заңы бойынша есептеледі (бұл температура диапазонында молярлық жылу сыйымдылықтары температураға тәуелді емес және фазалық түрлендірулер болмайды деп есептеледі):

Егер фазалық түрлендірулер берілген температура диапазонында орын алса, онда есептеу кезінде сәйкес түрлендірулердің жылуларын, сондай-ақ осындай түрлендірулерден өткен заттардың жылу сыйымдылығының температураға тәуелділігінің өзгеруін ескеру қажет:

мұндағы ΔC p (T 1 ,T f) - температура диапазонындағы жылу сыйымдылығының T 1-ден фазалық ауысу температурасына дейінгі өзгеруі; ΔC p (T f ,T 2) - фазалық ауысу температурасынан соңғы температураға дейінгі температура диапазонындағы жылу сыйымдылығының өзгеруі, ал T f - фазалық ауысу температурасы.

Жанудың стандартты энтальпиясы - Δ Х hor o, оттегідегі бір моль заттың жану реакциясының ең жоғары тотығу дәрежесіндегі оксидтердің пайда болуына термиялық әсері. Жанбайтын заттардың жану жылуы нөлге тең деп қабылданады.

Ерітіндінің стандартты энтальпиясы - Δ Херітінді, еріткіштің шексіз көп мөлшерінде 1 моль затты еріту процесінің жылу эффектісі. Ол кристалдық тордың бұзылу жылуынан және еріткіш молекулаларының молекулалармен немесе еріген заттың иондарымен әрекеттесу нәтижесінде бөлінетін гидратация жылуынан (немесе сулы емес ерітінділер үшін сольватация жылуынан) тұрады. өзгермелі құрамды қосылыстардың – гидраттардың (сольваттардың). Кристалдық тордың бұзылуы әдетте эндотермиялық процесс - Δ Х resh > 0, ал ион гидратациясы экзотермиялық, Δ Хгидр< 0. В зависимости от соотношения значений ΔХ resh және Δ Херіту гидрентальпиясы оң және теріс мәндерге ие болуы мүмкін. Осылайша, кристалды калий гидроксидінің еруі жылу бөлінуімен бірге жүреді:

Δ ХерітедіKOH o = Δ Хшешіңіз + Δ Х hydrK + o + Δ ХгидроОН − o = −59 КДж/моль

Гидратация энтальпиясы бойынша – Δ Хгидр, вакуумнан ерітіндіге 1 моль ион өткенде бөлінетін жылуды айтады.

Бейтараптандырудың стандартты энтальпиясы - Δ ХКүшті қышқылдар мен негіздердің стандартты жағдайда 1 моль су түзу реакциясының нейтроэнтальпиясы:

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O H + + OH − = H 2 O, ΔH нейтр ° = -55,9 кДж/моль

Күшті электролиттердің концентрлі ерітінділері үшін бейтараптандырудың стандартты энтальпиясы сұйылтылған кезде иондардың гидратациясының ΔH шамасының өзгеруіне байланысты ион концентрациясына байланысты.

Ескертпелер

Әдебиет

• Норре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов В.С.Физикалық химия. - М.: Жоғары мектеп, 1990 ж
• Аткинс П.Физикалық химия. - Мәскеу. : Әлем, 1980

Викимедиа қоры.

• 2010.
• Ненюков, Дмитрий Всеволодович

Сиқырлы сағат

Басқа сөздіктерде «Химиялық реакцияның жылу эффектісі» деген не екенін қараңыз:химиялық реакцияның жылу эффектісі - Бастапқы заттардың келесі шарттарда химиялық реакция теңдеуіне сәйкес мөлшердегі реакция өнімдеріне химиялық айналуы нәтижесінде жұтылатын (бөлінетін) жылу: 1) бұл жағдайда мүмкін болатын жалғыз жұмыс... ...

Техникалық аудармашыға арналған нұсқаулықХимиялық реакцияның жылу эффектісі - – келесі шарттарда химиялық реакция теңдеуіне сәйкес мөлшерде бастапқы заттардың реакция өнімдеріне химиялық айналуы нәтижесінде сіңірілген (бөлінетін) жылу: ... ...

Басқа сөздіктерде «Химиялық реакцияның жылу эффектісі» деген не екенін қараңыз:Терминдер энциклопедиясы, құрылыс материалдарына анықтамалар мен түсініктемелер

- химиялық реакцияның жылу эффектісі; термиялық эффект Жүйенің жұтқан жылуының және сыртқы қысымның жұмысынан басқа барлық жұмыс түрлерінің қосындысы және барлық шамалар бастапқы және соңғы температураның бірдей температурасына байланысты... ...жылу эффектісі - химиялық реакция; жылу эффектісі Жүйенің жұтқан жылуының қосындысы және сыртқы қысымның жұмысынан басқа оған атқарылған жұмыстардың барлық түрлері және барлық шамалар жүйенің бастапқы және соңғы күйлерінің бірдей температурасына байланысты...

Политехникалық терминологиялық түсіндірме сөздікРЕАКЦИЯНЫҢ ЖЫЛДЫҚ ӘСЕРІ - химиялық реакция кезінде жүйе бөлетін немесе жұтқан жылу мөлшері. Жұмыстың жылу эффектісі тұрақты көлемдегі жүйенің ішкі энергиясының өзгеруіне немесе тұрақты қысым кезінде оның энтальпиясының өзгеруіне және сыртқы жұмыстың болмауына тең...

Үлкен энциклопедиялық сөздікреакцияның жылу эффектісі - химиялық реакция кезінде жүйе бөлетін немесе жұтқан жылу мөлшері. Реакцияның жылу эффектісі тұрақты көлемдегі жүйенің ішкі энергиясының өзгеруіне немесе тұрақты қысымда және жұмыссыз оның энтальпиясының өзгеруіне тең... ...

Үлкен энциклопедиялық сөздікЭнциклопедиялық сөздік Металлургияның энциклопедиялық сөздігі

Реакцияның жылу эффектісі- берілген химиялық реакция кезінде жұтылатын жылудың алгебралық қосындысы (Химиялық реакцияларды қараңыз) және сыртқы қысымға қарсы жұмысты алып тастағандағы тамаша сыртқы жұмыс. Егер реакция кезінде жылу бөлінсе немесе жүйе жұмыс істесе... Ұлы Совет энциклопедиясы

изобарлық жылу эффектісі- Тұрақты қысымда жүретін химиялық реакцияның жылу эффектісі... - химиялық реакция; жылу эффектісі Жүйенің жұтқан жылуының қосындысы және сыртқы қысымның жұмысынан басқа оған атқарылған жұмыстардың барлық түрлері және барлық шамалар жүйенің бастапқы және соңғы күйлерінің бірдей температурасына байланысты...

изохоралық жылу эффектісі- Тұрақты көлемде болатын химиялық реакцияның жылу эффектісі... - химиялық реакция; жылу эффектісі Жүйенің жұтқан жылуының қосындысы және сыртқы қысымның жұмысынан басқа оған атқарылған жұмыстардың барлық түрлері және барлық шамалар жүйенің бастапқы және соңғы күйлерінің бірдей температурасына байланысты...