Сторінка
5

Розвиток періодичного закону д. І. Менделєєва і будова атома

Отже, як внутрішня енергія, так і ентальпія є важливими термодинамічними функціями. Математичний зв'язок між ними відображує зміст основного принципу термодинаміки: кількість теплоти , наданої будь-якій системі, використовується на приріст її внутрішньої енергії та на виконання механічної роботи.

Зміну ентальпії під час перебігу різних процесів визначають так само, як і зміну внутрішньої енергії, тільки визначення проводять за сталого тиску. Так,

під час нагрівання речовини зміну її ентальпії визначають за теплоємністю цієї речовини за сталого тиску:

де n — кількість молів речовини; Сp — мольна теплоємність речовини за сталого тиску.

Зміна ентальпії в хімічних реакціях відповідає взятій з протилежним знаком величині теплового ефекту реакції, що відбувається за сталих температури і тиску.

Під час хімічних перетворень вивільнюється тільки частина енергії, яку мають речовини. Кількість виділеної або поглинутої теплоти називається тепловим ефектом реакції. Теплові ефекти хімічних процесів вивчає термохімія.

Внутрішня енергія, що виділяється лише під час перебігу хімічних реакцій, називається хімічною, під час вивільнення вона перетворюється на інші форми. Так, хімічна енергія сірки та кисню під час утворення оксиду сульфуру (ІV) виділяється у вигляді теплоти і світла, тобто хімічна енергія перетворюється на теплову і світлову. Перетворення хімічної енергії на електричну має місце у гальванічних елементах. Під час вибуху хімічна енергія перетворюється на механічну, теплову, світлову. Отже, хімічна енергія може перетворюватись на теплову, світлову, електричну, механічну і, навпаки, всі види енергії можна перетворити на хімічну: розкладання сполук під час нагрівання, під дією електричного струму (електроліз), освітлення (фотоліз АgВr). Величезне значення має перетворення світлової енергії на хімічну для життєдіяльності рослин (фотосинтез).

Енергетичні зміни, що супроводжують перебіг хімічних реакцій, мають велике практичне значення. Термохімія оцінює стійкість сполук за тепловими ефектами їх утворення, а також ступінь енергетичної доцільності хімічних реакцій за певних умов.

Кількісні дослідження теплових ефектів різних речовин вперше виконали в 1780-1784 рр. А. Л. Лавуазьє і П. С. Лаплас.

Щоб забезпечити можливість порівняння теплових ефектів різних реакцій, термохімічні розрахунки слід робити відносно одного моля сполуки за температури 25 °С (298,15 К) і тиску 101 кПа (1 атм). Теплові ефекти, визначені за таких умов, називають стандартними.

Теплові ефекти можна зазначати поряд з рівняннями хімічних реакцій. Рівняння, біля яких зазначено тепловий ефект, називають термохімічними. Величину теплового ефекту записують справа від рівняння із знаком «мінус», якщо реакція екзотермічна, і зі знаком «плюс» — якщо ендотермічна.

Кількість теплоти, що виділяється або поглинається під час утворення одного моля хімічної сполуки з простих речовин, називається теплотою (ентальпією) утворення даної сполуки. Так, теплота утворення води дорівнює -285,8 кДж/моль; це означає, що в процесі утворення 18 г рідкої води з 2 г водню і 16 г кисню виділяється 285,8 кДж енергії у вигляді теплоти.

А.Л. Лавуазьє і П.С. Лаплас довели, що теплота розкладання даної сполуки чисельно дорівнює теплоті її утворення, але має протилежний знак — це перший закон термохімії. З цього закону випливає, що чим більше теплоти виділяється під час утворення тієї чи іншої сполуки, тим більше теплоти слід затратити на її розкладання.

Слід розрізняти поняття «стандартні умови», що включає стандартну температуру (25 °С) і тиск (101 кПа), і «стандартний стан речовини» — за тиску 101 кПа і будь-якої сталої температури.

Визначені для речовин, що перебувають у стандартному стані, стандартні значення ентальпії та інших термодинамічних величин позначають відповідним символом з індексом зверху H°, а індексом знизу символа зазначають температуру, за якої вони визначені. Наприклад, зміна ентальпії визначена за температури 298 К, зміна ентальпії — за температури 1000 К.

Стандартна ентальпія утворення речовини — це зміна ентальпії в процесі утворення даної речовини, що перебуває в стандартному стані з термодинамічне стабільних форм простих речовин, що також перебувають у стандартних станах. Стандартні теплоти утворення відомі для багатьох речовин, вони зведені в таблиці (табл. 1).

Теплоти утворення простих речовин, стійких за стандартних умов (графіт, ромбічна сірка, кристалічний йод тощо), приймають такими, що дорівнюють нулю. В термохімічних рівняннях зазначають стан речовини: (к) — кристалічний, (р) — рідкий, (г) — газоподібний. Термохімічне рівняння реакції утворення води в рідкому стані можна записати так:

-285,8 кДж.

Теплота утворення водяної пари становить - 241,8 кДж/моль; відповідне термохімічне рівняння має вигляд:

-241,8 кДж.

Різниця між теплотами утворення води в рідкому (-285,8 кДж/моль) і пароподібному стані (-241,8 кДж/моль) є теплотою випаровування 18 г (1 моль) води за температури 25 °С.

Теплота утворення оксиду нітрогену(ІІ) дорівнює +90,25 кДж/моль, тому відповідне термохімічне рівняння матиме вигляд:

90,25 кДж.

Це означає, що під час утворення 1 моль газоподібного оксиду нітрогену (ІІ) з 0,5 моль газоподібного азоту і 0,5 моль газоподібного кисню поглинається 90,25 кДж теплоти.

Важливою характеристикою речовин, що застосовуються як паливо, є їхня питома теплота згоряння, яку теж прийнято визначати відносно 1 моль речовини. З термохімічного рівняння

-1300 кДж

видно, що теплота згоряння одного моля ацетилену дорівнює 1300 кДж.

Таблиця 1. Стандартні ентальпії утворення деяких речовин і йонів