השפעה תרמית של תגובה כימית. משוואות תרמוכימיות
תרמוכימיה חוקרת את ההשפעות התרמיות של תגובות כימיות. במקרים רבים, תגובות אלו מתרחשות בנפח קבוע או בלחץ קבוע. מהחוק הראשון של התרמודינמיקה נובע שבתנאים אלו חום הוא פונקציה של מצב. בנפח קבוע, החום שווה לשינוי באנרגיה הפנימית:
ובלחץ קבוע - השינוי באנתלפיה:
השוויון הזה, כשהם מיושמים על תגובות כימיות, מהווים את המהות חוק הס:
ההשפעה התרמית של תגובה כימית המתרחשת בלחץ קבוע או בנפח קבוע אינה תלויה בנתיב התגובה, אלא נקבעת רק על פי מצב המגיבים ותוצרי התגובה.
במילים אחרות, ההשפעה התרמית של תגובה כימית שווה לשינוי בתפקוד המצב.
בתרמוכימיה, בניגוד ליישומים אחרים של תרמודינמיקה, חום נחשב חיובי אם הוא משתחרר פנימה סביבה, כלומר אם ח < 0 или U
< 0. Под тепловым эффектом химической реакции
понимают значение ח(שנקרא בפשטות "אנטלפיה של התגובה") או Uתגובות.
אם התגובה מתרחשת בתמיסה או בשלב המוצק, כאשר השינוי בנפח זניח, אז
ח = U + (pV) U. (3.3)
אם גזים אידיאליים משתתפים בתגובה, אז בטמפרטורה קבועה
ח = U + (pV) = U+n. RT, (3.4)
כאשר n הוא השינוי במספר מולות הגזים בתגובה.
על מנת להקל על השוואה בין האנטלפיות של תגובות שונות, נעשה שימוש במושג "מצב סטנדרטי". המצב הסטנדרטי הוא מצבו של חומר טהור בלחץ של 1 בר (= 10 5 Pa) וטמפרטורה נתונה. עבור גזים, זהו מצב היפותטי בלחץ של 1 בר, בעל תכונות של גז נדיר עד אין קץ. אנתלפיה של תגובה בין חומרים במצבים סטנדרטיים בטמפרטורה ט, לציין ( רפירושו "תגובה"). משוואות תרמוכימיות מציינות לא רק את הנוסחאות של החומרים, אלא גם את המצבים המצטברים שלהם או שינויים גבישיים.
השלכות חשובות נובעות מחוק הס, המאפשר לחשב את האנטלפיות של תגובות כימיות.
מסקנה 1.
שווה להפרש בין האנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות תוצרי תגובה וריאגנטים (בהתחשב במקדמים סטוכיומטריים):
אנטלפיה (חום) סטנדרטית של היווצרות חומר (ופירושו "היווצרות") בטמפרטורה נתונה היא האנטלפיה של תגובת היווצרות של שומה אחת של חומר זה מאלמנטים, שנמצאים במצב הסטנדרטי היציב ביותר. לפי הגדרה זו, האנטלפיה של היווצרות החומרים הפשוטים היציבים ביותר במצב הסטנדרטי היא 0 בכל טמפרטורה. אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות חומרים בטמפרטורה של 298 K ניתנות בספרי עיון.
המושג "אנטלפיה של היווצרות" משמש לא רק עבור חומרים רגילים, אלא גם עבור יונים בתמיסה. במקרה זה, יון H + נלקח כנקודת הייחוס, שעבורה ההנחה היא שהאנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות בתמיסה מימית היא אפס: 
מסקנה 2. אנטלפיה סטנדרטית של תגובה כימית
שווה להפרש בין האנטלפיות של הבעירה של המגיבים ותוצרי התגובה (בהתחשב במקדמים סטוכיומטריים):
(גפירושו "בעירה"). האנתלפיה (חום) הסטנדרטית של בעירה של חומר היא האנטלפיה של התגובה של חמצון מוחלט של שומה אחת של חומר. תוצאה זו משמשת בדרך כלל לחישוב ההשפעות התרמיות של תגובות אורגניות.
מסקנה 3. האנתלפיה של תגובה כימית שווה להבדל באנרגיות של הקשרים הכימיים שנפרקים ואלו שנוצרים.
אנרגיה של תקשורת A-B שם את האנרגיה הדרושה כדי לשבור קשר ולהפריד את החלקיקים המתקבלים על פני מרחק אינסופי:
AB (g) A (g) + B (g) .
אנרגיית תקשורת היא תמיד חיובית.
רוב הנתונים התרמוכימיים בספרי עיון ניתנים בטמפרטורה של 298 K. כדי לחשב השפעות תרמיות בטמפרטורות אחרות, השתמש משוואת קירכהוף:
(צורה דיפרנציאלית) (3.7)
(צורה אינטגרלית) (3.8)
איפה ג עמ'- ההבדל בין יכולות החום האיזובריות של תוצרי התגובה לבין חומרי המוצא. אם ההבדל ט 2 - ט 1 הוא קטן, אז אתה יכול לקבל ג עמ'= קונסט. אם יש הפרש טמפרטורה גדול, יש צורך להשתמש בתלות הטמפרטורה ג עמ'(ט) סוג:
איפה המקדמים א, ב, גוכו ' עבור חומרים בודדים הם נלקחו מספר העזר, והסימן מציין את ההבדל בין המוצרים והריאגנטים (בהתחשב במקדמים).
דוגמאות
דוגמה 3-1.האנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות מים נוזליים וגזים ב-298 K הם -285.8 ו-241.8 קילו ג'ל/מול, בהתאמה. חשב את האנטלפיה של אידוי מים בטמפרטורה זו.
פִּתָרוֹן. האנתלפיות של היווצרות מתאימות לתגובות הבאות:
H 2 (g) + SO 2 (g) = H 2 O (l), ח 1 0 = -285.8;
H 2 (g) + SO 2 (g) = H 2 O (g), ח 2 0 = -241.8.
התגובה השנייה יכולה להתבצע בשני שלבים: ראשית, שורפים מימן ליצירת מים נוזליים בהתאם לתגובה הראשונה, ולאחר מכן לאדות את המים:
H 2 O (l) = H 2 O (g), ח 0 ISP = ?
ואז, על פי חוק הס,
ח 1 0 + ח 0 isp = ח 2 0 ,
איפה ח 0 isp = -241.8 - (-285.8) = 44.0 קילו-ג'יי/מול.
תשובה. 44.0 קילו-ג'יי/מול.
דוגמה 3-2.חשב את האנטלפיה של התגובה
6C (g) + 6H (g) = C 6 H 6 (g)
א) על ידי אנטלפיות של היווצרות; ב) על ידי קישור אנרגיות, בהנחה שהקשרים הכפולים במולקולת C 6 H 6 קבועים.
פִּתָרוֹן. א) אנתלפיות של היווצרות (ב-kJ/mol) נמצאות בספר העזר (לדוגמה, P.W. Atkins, Physical Chemistry, מהדורה 5, עמ' C9-C15): fH 0 (C 6 H 6 (g)) = 82.93, fH 0 (C (g)) = 716.68, fH 0 (H (g)) = 217.97. האנטלפיה של התגובה היא:
ר ה 0 = 82.93 - 6,716.68 - 6,217.97 = -5525 קילו ג'ל/מול.
ב) בתגובה זו לא נשברים קשרים כימיים, אלא רק נוצרים. בקירוב של קשרים כפולים קבועים, מולקולת C 6 H 6 מכילה 6 קשרי C-H, 3 קשרי C-C ו-3 קשרי C=C. אנרגיות קשר (ב-kJ/mol) (P.W.Atkins, Physical Chemistry, מהדורה 5, עמ' C7): ה(C-H) = 412, ה(C-C) = 348, ה(C=C) = 612. האנטלפיה של התגובה היא:
ר ה 0 = -(6,412 + 3,348 + 3,612) = -5352 קילו ג'ל/מול.
ההבדל עם התוצאה המדויקת -5525 kJ/mol נובע מכך שבמולקולת הבנזן אין קשרים בודדים C-C וקשרים כפולים C=C, אלא יש 6 קשרים ארומטיים C C.
תשובה. א) -5525 קילו ג'ל/מול; ב) -5352 קילו ג'ל/מול.
דוגמה 3-3.באמצעות נתוני התייחסות, חשב את האנטלפיה של התגובה
3Cu (טלוויזיה) + 8HNO 3(aq) = 3Cu(NO 3) 2(aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l)
פִּתָרוֹן. המשוואה היונית המקוצרת לתגובה היא:
3Cu (s) + 8H + (aq) + 2NO 3 - (aq) = 3Cu 2+ (aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l).
על פי חוק הס, האנטלפיה של התגובה שווה ל:
ר ה 0 = 4fH 0 (H 2 O (l)) + 2 fH 0 (לא (ז)) + 3 fH 0 (Cu 2+ (aq)) - 2 fH 0 (NO 3 - (aq))
(האנטלפיות של היווצרות נחושת ויון H+ שוות, בהגדרה, 0). בהחלפת ערכי האנטלפיות של היווצרות (P.W.Atkins, Physical Chemistry, מהדורה 5, עמ' C9-C15), אנו מוצאים:
ר ה 0 = 4 (-285.8) + 2 90.25 + 3 64.77 - 2 (-205.0) = -358.4 קילו-ג'יי
(מבוסס על שלוש שומות נחושת).
תשובה. -358.4 קילו-ג'יי.
דוגמה 3-4.חשב את האנטלפיה של בעירה של מתאן ב-1000 K, אם נתונה האנטלפיה של היווצרות ב-298 K: fH 0 (CH 4) = -17.9 קק"ל/מול, fH 0 (CO 2) = -94.1 קק"ל/מול, fH 0 (H 2 O (g)) = -57.8 קק"ל/מול. יכולות החום של גזים (בקל/(מול. K)) בטווח שבין 298 ל-1000 K שוות ל:
C p (CH 4) = 3.422 + 0.0178. ט, ג עמ'(O2) = 6.095 + 0.0033. ט,
C p (CO 2) = 6.396 + 0.0102. ט, ג עמ'(H 2 O (g)) = 7.188 + 0.0024. ט.
פִּתָרוֹן. אנתלפיה של תגובת בעירת מתאן
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
ב-298 K שווה ל:
94.1 + 2 (-57.8) - (-17.9) = -191.8 קק"ל/מול.
בואו נמצא את ההבדל ביכולות החום כפונקציה של הטמפרטורה:
ג עמ' = ג עמ'(CO2) + 2 ג עמ'(H 2 O (g)) - ג עמ'(CH 4) - 2 ג עמ'(O2) =
= 5.16 - 0.0094ט(cal/(mol K)).
האנטלפיה של התגובה ב-1000 K מחושבת באמצעות משוואת קירכהוף:
= + 
= -191800 + 5.16
(1000-298) - 0.0094 (1000 2 -298 2)/2 = -192500 קלוריות/מול.
תשובה. -192.5 קק"ל/מול.
משימות
3-1. כמה חום נדרש כדי להעביר 500 גרם של אל (mp 658 o C, ח 0 pl = 92.4 cal/g), נלקח בטמפרטורת החדר, למצב מותך, אם ג עמ'(Al TV) = 0.183 + 1.096 10 -4 ט cal/(g K)?
3-2. האנטלפיה הסטנדרטית של התגובה CaCO 3 (s) = CaO (s) + CO 2 (g) המתרחשת בכלי פתוח בטמפרטורה של 1000 K היא 169 קילו ג'ל/מול. מהו החום של תגובה זו, המתרחשת באותה טמפרטורה, אבל בכלי סגור?
3-3. חשב את האנרגיה הפנימית הסטנדרטית של היווצרות בנזן נוזלי ב-298 K אם האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרותו היא 49.0 קילו ג'ל/מול.
3-4. חשב את האנטלפיה של היווצרות N 2 O 5 (g) ב ט= 298 K על סמך הנתונים הבאים:
2NO(g) + O 2 (g) = 2NO 2 (g), ח 1 0 = -114.2 קילו ג'ל/מול,
4NO 2 (g) + O 2 (g) = 2N 2 O 5 (g), ח 2 0 = -110.2 קילו ג'ל/מול,
N 2 (g) + O 2 (g) = 2NO (g), ח 3 0 = 182.6 קילו ג'ל/מול.
3-5. האנטלפיות של בעירה של גלוקוז, פרוקטוז וסוכרוז ב-25 מעלות צלזיוס שוות ל-2802,
-2810 ו-5644 קילו ג'ל/מול, בהתאמה. חשב את חום ההידרוליזה של סוכרוז.
3-6. קבע את האנטלפיה של היווצרות דיבורן B 2 H 6 (g) ב ט= 298 K מהנתונים הבאים:
B 2 H 6 (g) + 3O 2 (g) = B 2 O 3 (tv) + 3H 2 O (g), ח 1 0 = -2035.6 קילו-ג'יי/מול,
2B(tv) + 3/2 O 2 (g) = B 2 O 3 (tv), ח 2 0 = -1273.5 קילו ג'ל/מול,
H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) = H 2 O (g), ח 3 0 = -241.8 קילו ג'ל/מול.
3-7. חשב את חום היווצרות אבץ גופרתי מחומרים פשוטים ב ט= 298 K על סמך הנתונים הבאים.
כל תגובה כימית מלווה בשחרור או ספיגה של אנרגיה בצורה של חום.
בהתבסס על שחרור או ספיגת חום, הם מבחינים אקסותרמיו אנדותרמיתגובות.
אקסותרמיתגובות הן תגובות שבמהלכן משתחרר חום (+Q).
תגובות אנדותרמיות הן תגובות שבמהלכן נספג חום (-Q).
השפעה תרמית של תגובה (ש) היא כמות החום המשתחררת או נספגת במהלך האינטראקציה של כמות מסוימת של ריאגנטים ראשוניים.
משוואה תרמוכימית היא משוואה המציינת את ההשפעה התרמית של תגובה כימית. אז, למשל, המשוואות התרמוכימיות הן:
יש לציין גם שהמשוואות התרמוכימיות ב חובהצריך לכלול מידע על המצבים המצטברים של ריאגנטים ומוצרים, שכן ערך ההשפעה התרמית תלוי בכך.
חישובים של ההשפעה התרמית של התגובה
דוגמה לבעיה אופיינית למציאת ההשפעה התרמית של תגובה:
כאשר 45 גרם גלוקוז מגיבים עם עודף חמצן לפי המשוואה
C 6 H 12 O 6 (מוצק) + 6O 2 (g) = 6CO 2 (g) + 6H 2 O (g) + Q
700 קילו ג'יי של חום השתחרר. קבע את ההשפעה התרמית של התגובה. (כתוב את המספר למספר השלם הקרוב ביותר.)
פִּתָרוֹן:
בואו לחשב את כמות הגלוקוז:
n(C 6 H 12 O 6) = m(C 6 H 12 O 6) / M(C 6 H 12 O 6) = 45 גרם / 180 גרם/מול = 0.25 מול
הָהֵן. כאשר 0.25 מול של גלוקוז יוצר אינטראקציה עם חמצן, משתחרר 700 קילו ג'יי של חום. מהמשוואה התרמוכימית המוצגת בתנאי, עולה שהאינטראקציה של 1 מול גלוקוז עם חמצן מייצרת כמות חום השווה ל-Q (השפעה תרמית של התגובה). אז הפרופורציה הבאה נכונה:
0.25 מול גלוקוז - 700 קילו-ג'יי
1 מול גלוקוז - ש
מפרופורציה זו המשוואה המתאימה היא:
0.25 / 1 = 700 / Q
כשפותרים איזה, אנו מוצאים כי:
לפיכך, ההשפעה התרמית של התגובה היא 2800 קילו-ג'יי.
חישובים באמצעות משוואות תרמוכימיות
הרבה יותר פעמים ב מטלות בחינה של המדינה המאוחדתבתרמוכימיה, הערך של האפקט התרמי כבר ידוע, כי התנאי נותן את המשוואה התרמוכימית השלמה.
במקרה זה, יש צורך לחשב את כמות החום המשתחררת/נספג עם כמות ידועה של מגיב או מוצר, או להיפך, על ידי ערך ידועחום, נדרש לקבוע את המסה, הנפח או הכמות של חומר של כל משתתף בתגובה.
דוגמה 1
לפי משוואת התגובה התרמוכימית
3Fe 3 O 4 (טלוויזיה) + 8Al (טלוויזיה) = 9Fe (טלוויזיה) + 4Al 2 O 3 (טלוויזיה) + 3330 קילו-ג'יי
נוצרו 68 גרם של תחמוצת אלומיניום. כמה חום השתחרר? (כתוב את המספר למספר השלם הקרוב ביותר.)
פִּתָרוֹן
בואו לחשב את כמות חומר תחמוצת אלומיניום:
n(Al 2 O 3) = m(Al 2 O 3) / M(Al 2 O 3) = 68 גרם / 102 גרם/מול = 0.667 מול
בהתאם למשוואה התרמוכימית של התגובה, כאשר נוצרות 4 מולים של תחמוצת אלומיניום, משתחררים 3330 קילו-ג'יי. במקרה שלנו נוצר 0.6667 מול תחמוצת אלומיניום. לאחר שציינו את כמות החום המשתחררת במקרה זה ב-x kJ, אנו יוצרים את הפרופורציה:
4 מול Al 2 O 3 - 3330 קילו-ג'יי
0.667 מול Al 2 O 3 - x kJ
פרופורציה זו תואמת את המשוואה:
4 / 0.6667 = 3330 / x
אם נפתור איזה, נמצא ש-x = 555 קילו-ג'יי
הָהֵן. כאשר נוצרים 68 גרם של תחמוצת אלומיניום בהתאם למשוואה התרמוכימית במצב, משתחרר 555 קילו-ג'יי חום.
דוגמה 2
כתוצאה מתגובה, המשוואה התרמוכימית שלה
4FeS 2 (טלוויזיה) + 11O 2 (g) = 8SO 2 (g) + 2Fe 2 O 3 (טלוויזיה) + 3310 קילו-ג'יי
1655 קילו ג'יי של חום השתחרר. קבע את נפח (l) של דו תחמוצת הגופרית המשתחררת (מס'). (כתוב את המספר למספר השלם הקרוב ביותר.)
פִּתָרוֹן
בהתאם למשוואה התרמוכימית של התגובה, כאשר נוצרות 8 מולים של SO 2, משתחרר חום של 3310 קילו-ג'יי. במקרה שלנו, השתחרר חום של 1655 קילו-ג'יי. תן לכמות SO 2 שנוצרה במקרה זה להיות x מול. אז הפרופורציה הבאה היא הוגנת:
8 מול SO 2 - 3310 קילו-ג'יי
x mol SO 2 - 1655 קילו-ג'יי
שממנו יוצאת המשוואה:
8 / x = 3310 / 1655
כשפותרים איזה, אנו מוצאים כי:
לפיכך, כמות החומר SO 2 שנוצרה במקרה זה היא 4 מול. לכן, נפחו שווה ל:
V(SO 2) = V m ∙ n(SO 2) = 22.4 l/mol ∙ 4 mol = 89.6 l ≈ 90 l(מעוגל למספרים שלמים, מכיוון שזה נדרש בתנאי.)
ניתן למצוא בעיות מנותחות יותר על ההשפעה התרמית של תגובה כימית.
משימה מס'6
חשב את קיבולת החום הממוצעת של החומר המופיע בטבלה. 6, בטווח הטמפרטורות שבין 298 ל טל.
טבלה 6
|
חומר |
חומר | ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
| ||||
|
|
|
פִּתָרוֹן:
בואו נשקול את חישוב קיבולת החום הממוצעת של אמוניה בטווח הטמפרטורות שבין 298 ל-800 ל.
קיבולת חוםהוא היחס בין כמות החום הנספגת בגוף בעת חימום לעלייה בטמפרטורה הנלווית לחימום. עבור חומר בודד יש ספֵּצִיפִי(קילוגרם אחד) ו טוֹחֶנֶת(שומה אחת) קיבולת חום.
קיבולת חום אמיתית
,
(21)
איפה δ ש - כמות אינסופית של חום הנדרשת להעלאת טמפרטורת הגוף בכמות אינסופית dT .
קיבולת חום ממוצעתהוא היחס בין כמות החום שלעלייה בטמפרטורה ∆ ט = ט 2 – ט 1 ,
.
מכיוון שחום אינו פונקציה של מצב ותלוי בנתיב התהליך, יש צורך לציין את התנאים לתהליך החימום. בתהליכים איזוחוריים ואיזובריים לשינוי אינסופי δ ש V = dU ו δ ש ע = dH, בגלל זה
ו 
.
(22)
קשר בין איזוכורית אמיתית(עם V) ו איזוברית
(ג ע)
יכולות חוםחומרים ושלהם מְמוּצָעאיזוכורית 
ואיזוברי 
יכולות חוםבטווח הטמפרטורות מ ט 1
לפני ט 2
מבוטא באמצעות משוואות (23) ו-(24):
;
(23)
.
(24)
התלות של קיבולת החום האמיתית בטמפרטורה באה לידי ביטוי במשוואות האמפיריות הבאות:
; (ל חומרים אנאורגניים) (25)
. (עבור חומרים אורגניים) (26)
בואו נשתמש במדריך של כמויות פיזיקליות וכימיות. הבה נכתוב את המקדמים (a, b, c) של המשוואה לתלות קיבולת החום האיזוברית של אמוניה בטמפרטורה:
טבלה 7
|
חומר |
|
||
|
ב·10 3 |
ג / ·10 –5 |
||
הבה נכתוב את המשוואה לתלות קיבולת החום האמיתית של אמוניה בטמפרטורה:
.
בואו נחליף את המשוואה הזו בנוסחה (24) ונחשב את קיבולת החום הממוצעת של אמוניה:
=
1/(800-298)
=
0.002 = 43.5 J/mol K.
בעיה מס' 7
לתגובה הכימית המפורטת בטבלה. 2, צייר את התלות של סכום יכולות החום של תוצרי התגובה בטמפרטורה 
וסכום יכולות החום של חומרי המוצא בהתאם לטמפרטורה 
. משוואות תלות 
קח את זה מספר העיון. חשב את השינוי בקיבולת החום במהלך תגובה כימית ( 
) בטמפרטורות 298 K, 400 K ו ט K (טבלה 6).
פִּתָרוֹן:
הבה נחשב את השינוי בקיבולת החום בטמפרטורות של 298 K, 400 K ו-600 K באמצעות הדוגמה של תגובת סינתזת אמוניה:
הבה נרשום את המקדמים (a, b, c, c /) 1 של המשוואות לתלות קיבולת החום האמיתית של אמוניה בטמפרטורה עבור חומרי המוצא ותוצרי התגובה, תוך התחשבות במקדמים הסטוכיומטריים 
. בוא נחשב את סכום המקדמים. למשל, סכום המקדמים אעבור חומרי מוצא שווה ל
= 27.88 + 3·27.28 = 109.72.
סכום הסיכויים אעבור תוצרי תגובה שווה ל
= 2·29.8 = 59.6.
=
=59,6 – 109,72 = –50,12.
טבלה 8
|
חומר |
ב·10 3 |
ג / ·10 – 5 |
s·10 6 |
||
|
מְקוֹרִי חומרים | |||||
|
( | |||||
|
( | |||||
|
| |||||
,
,
)
,
,
)
,
,
לפיכך, משוואת התלות 
עבור תוצרי התגובה יש את הצורה הבאה:
= 59.60 + 50.96·10 –3 T – 3.34·10 5 /T 2.
לשרטט את התלות של סכום קיבולת החום של תוצרי התגובה בטמפרטורה 
בואו נחשב את סכום יכולות החום במספר טמפרטורות:
ב-T = 298 K
= 59.60 + 50.96 10 –3 298 – 3.34 10 5 /298 2 = 71.03 J/K;
ב-T
= 400 K 
= 77.89 J/K;
ב-T = 600 K 
= 89.25 J/K.
משוואת תלות 
לחומרי מוצא יש את הצורה:
= 109.72 + 14.05·10 –3 T + 1.50·10 -5 /T 2 .
אנו מחשבים באופן דומה 
חומרי מוצא בכמה טמפרטורות:
ב-T=298 K
=109.72 + 14.05 10 –3 298 + 1.50 10 5 /298 2 =115.60 J/K;
ב-T = 400 K 
= 116.28 J/K;
ב-T = 600 K 
= 118.57 J/K.
לאחר מכן, אנו מחשבים את השינוי בקיבולת החום האיזוברית 
במהלך תגובה בכמה טמפרטורות:
= –50.12 + 36.91 10 –3 T – 4.84 10 5 /T 2,
= –44.57 J/K;
= –38.39 J/K;
= –29.32 J/K.
בעזרת הערכים המחושבים, אנו בונים גרפים של התלות של סכום יכולות החום של תוצרי התגובה וסכום יכולות החום של חומרי המוצא בטמפרטורה.
איור 2. תלות של יכולות החום הכוללות של חומרי המוצא ותוצרי התגובה בטמפרטורה לתגובת סינתזת האמוניה
בטווח טמפרטורות זה, קיבולת החום הכוללת של חומרי המוצא גבוהה מיכולת החום הכוללת של המוצרים, לכן, 
על כל טווח הטמפרטורות מ-298 K עד 600 K.
בעיה מס' 8
חשב את ההשפעה התרמית של התגובה המופיעה בטבלה. 2, בטמפרטורה ט K (טבלה 6).
פִּתָרוֹן:
בואו לחשב את ההשפעה התרמית של תגובת סינתזת האמוניה בטמפרטורה של 800 ל.
תלות של אפקט תרמי 
מתאר תגובות מהטמפרטורה חוק קירכהוף
,
(27)
איפה 
- שינוי בקיבולת החום של המערכת במהלך התגובה. בואו ננתח את המשוואה:
1) אם 
> 0, כלומר סכום יכולות החום של תוצרי התגובה גדול מסכום יכולות החום של חומרי המוצא, אז 
> 0,. הִתמַכְּרוּת 
עולה, ועם עליית הטמפרטורה האפקט התרמי עולה.
2) אם 
<
0, то
< 0, т.е. зависимость убывающая, и с
повышением температуры тепловой эффект
уменьшается.
3) אם 
= 0, אם כן 
= 0, האפקט התרמי אינו תלוי בטמפרטורה.
בצורה אינטגרלית, למשוואת קירכהוף יש את הצורה הבאה:
.
(28)
א) אם קיבולת החום אינה משתנה במהלך התהליך, כלומר. סכום יכולות החום של תוצרי התגובה שווה לסכום יכולות החום של חומרי המוצא ( 
), אז האפקט התרמי אינו תלוי בטמפרטורה
= קונסט.
ב) עבור חישוב משועראנו יכולים להזניח את התלות של יכולות החום בטמפרטורה ולהשתמש בערכים של יכולות החום הממוצעות של משתתפי התגובה ( 
). במקרה זה, החישוב נעשה באמצעות הנוסחה
ג) עבור חישוב מדויקיש צורך בנתונים על התלות של קיבולת החום של כל משתתפי התגובה בטמפרטורה 
. במקרה זה, האפקט התרמי מחושב באמצעות הנוסחה
(30)
אנו רושמים את נתוני ההתייחסות (טבלה 9) ומחשבים שינויים בערכים המתאימים לכל עמודה באנלוגיה למשימה מס' 7). אנו משתמשים בנתונים שהתקבלו כדי לחשב:
בְּעֵרֶך:
= –91880 + (–31.88)(800 – 298) = –107883.8 J = – 107.88 קילו-ג'יי.
= –91880 + (–50.12)(800 – 298) + 1/2·36.91·10 -3 (800 2 – 298 2) +
– (–4.84·10 5)(1/800 – 1/298) = – 107815 J = – 107.82 קילו-ג'יי.
עבור תגובת סינתזת אמוניה, השינוי בקיבולת החום במהלך התגובה 
<
0 (см. задачу №7). Следовательно
< 0, с повышением температуры тепловой
эффект уменьшается.
טבלה 9
|
חומר |
סכום עבור תוצרי תגובה |
כמות לחומרי מוצא |
שינוי במהלך התגובה |
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
,
=
=
=
, J/(מול K)
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
1,5
=
=
0
=
0
=
0|
כתוצאה מלימוד נושא זה, תלמדו:
כתוצאה מלימוד נושא זה, תלמדו:
שאלות לימוד: |
6.1. אנרגיה של תהליכים כימיים
6.1.1. אנרגיה פנימית ואנטלפיה
בכל תהליך מתקיים חוק שימור האנרגיה:
Q = Δ U + A.
שוויון זה אומר שאם חום Q מסופק למערכת, אז הוא מושקע על שינוי האנרגיה הפנימית Δ U וביצוע עבודה A.
אנרגיה פנימיתהמערכת היא הרזרבה הכוללת שלה, כולל האנרגיה של תנועה טרנסציונלית וסיבובית של מולקולות, אנרגיית התנועה של אלקטרונים באטומים, אנרגיית האינטראקציה של גרעינים עם אלקטרונים, גרעינים עם גרעינים וכו', כלומר. כל סוגי האנרגיה מלבד קינטית ו אנרגיה פוטנציאליתמערכות כמכלול.
העבודה שנעשתה על ידי המערכת במהלך המעבר ממצב 1, המאופיין בנפח V 1, למצב 2 (נפח V 2) בלחץ קבוע (עבודת הרחבה) שווה ל:
A = p(V 2 - V 1).
בלחץ קבוע (p=const), תוך התחשבות בביטוי לעבודת ההתפשטות, חוק שימור האנרגיה ייכתב כך:
Q = (U 2 + pV 2) – (U 1 + pV 1).
סכום האנרגיה הפנימית של מערכת ומכפלת הנפח והלחץ שלה נקרא אנטלפיה N:
בגלל ה ערך מדויקהאנרגיה הפנימית של המערכת אינה ידועה, גם לא ניתן להשיג את הערכים האבסולוטיים של האנטלפיות. יש להם גם משמעות מדעית שימוש מעשילמצוא שינויים באנטלפיה ΔH.
האנרגיה הפנימית U והאנטלפיה H הם פונקציות המדינהמערכות. פונקציות מצב הן אותם מאפיינים של המערכת, ששינויים בהם נקבעים רק על ידי המצב הסופי וההתחלתי של המערכת, כלומר. לא תלויים בנתיב התהליך.
6.1.2. תהליכים אקסו-ואנדותרמיים
התרחשותן של תגובות כימיות מלווה בספיגה או שחרור של חום. אקסותרמינקראת תגובה המתרחשת עם שחרור חום לסביבה, ו אנדותרמי– עם ספיגת חום מהסביבה.
תהליכים רבים בתעשייה ובפרקטיקה במעבדה מתרחשים בלחץ וטמפרטורה קבועים (T=const, p=const). האנרגיה האופיינית לתהליכים אלה היא השינוי באנתלפיה:
Q P = -Δ N.
עבור תהליכים המתרחשים בנפח וטמפרטורה קבועים (T=const, V=const) Q V =-Δ U.
לתגובות אקסותרמיות ΔH< 0, а в случае протекания эндотермической реакции Δ Н >0. לדוגמה,
N 2 (g) + SO 2 (g) = N 2 O (g); ΔН 298 = +82 קילו-ג'יי,
CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g); ΔН 298 = -802 קילו-ג'יי.
משוואות כימיות, המצביעות בנוסף על ההשפעה התרמית של התגובה (ערך DH של התהליך), כמו גם את מצב הצבירה של חומרים וטמפרטורה, נקראות תרמוכימימשוואות.
במשוואות תרמוכימיות, מצב הפאזה והשינויים האלוטרופיים של המגיבים והחומרים המתקבלים מצוינים: g - גז, g - נוזל, j - גבישי; S (יהלום), S (מונוקל), C (גרפיט), C (יהלום) וכו'.
6.1.3. תרמוכימיה; חוק הס
חוקר תופעות אנרגיה הנלוות לתהליכים פיזיקליים וכימיים תרמוכימיה. החוק הבסיסי של התרמוכימיה הוא החוק שנוסח על ידי המדען הרוסי G.I. הס בשנת 1840.
חוק הס: השינוי באנתלפיה של תהליך תלוי בסוג ובמצב של חומרי המוצא ותוצרי התגובה, אך אינו תלוי בנתיב התהליך.
על ידי תיקון השפעות תרמוכימיותלעתים קרובות, במקום המושג "שינוי באנטלפיה של תהליך", משתמשים בביטוי "אנטלפיה של תהליך", כלומר במושג זה הערך Δ H. לא נכון להשתמש במושג "אפקט תרמי של תהליך" ” כאשר מנסחים את חוק הס, שכן הערך Q במקרה הכללי אינו פונקציה של מצב. כאמור לעיל, רק בלחץ קבוע Q P = -Δ N (בנפח קבוע Q V = -Δ U).
לפיכך, היווצרות של PCl 5 יכולה להיחשב כתוצאה מאינטראקציה של חומרים פשוטים:
P (k, לבן) + 5/2Cl 2 (g) = PCl 5 (k); ΔH 1,
או כתוצאה מתהליך המתרחש במספר שלבים:
P (k, לבן) + 3/2Cl 2 (g) = PCl 3 (g); ΔH 2,
PCl 3(g) + Cl 2(g) = PCl 5(k); ΔH 3,
או בסך הכל:
P (k, לבן) + 5/2Cl 2 (g) = PCl 5 (k); Δ H 1 = Δ H 2 + Δ H 3.
6.1.4. אנתלפיות של היווצרות חומרים
אנתלפיה של היווצרות היא האנטלפיה של תהליך היווצרות של חומר במצב צבירה נתון מחומרים פשוטים שנמצאים בשינויים יציבים. האנטלפיה של היווצרות נתרן גופרתי, למשל, היא האנטלפיה של התגובה:
2Na (k) + S (מעוין) + 2O 2 (g) = Na 2 SO 4 (k).
האנטלפיה של היווצרות חומרים פשוטים היא אפס.
מאז ההשפעה התרמית של תגובה תלויה במצב החומרים, טמפרטורה ולחץ, בעת ביצוע חישובים תרמוכימייםהסכים להשתמש אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות- אנטלפיה של היווצרות חומרים הנמצאים בטמפרטורה נתונה ב מצב סטנדרטי. המצב האמיתי של החומר בטמפרטורה ולחץ נתונים של 101.325 kPa (1 atm) נחשב למצב הסטנדרטי לחומרים במצב מעובה. ספרי עיון בדרך כלל נותנים אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות חומרים בטמפרטורה של 25 o C (298 K), הכוונה למול 1 של חומר (Δ H f o 298). האנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות של חומרים מסוימים ב-T = 298 K ניתנות בטבלה. 6.1.
טבלה 6.1.
אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות (Δ H f o 298) של חומרים מסוימים
חומר |
Δ Н f o 298, kJ/mol |
חומר |
Δ Н f o 298, kJ/mol |
האנטלפיות הסטנדרטיות להיווצרות של רוב החומרים המורכבים הם ערכים שליליים. עבור מספר קטן של חומרים לא יציבים, Δ Н f o 298 > 0. חומרים כאלה, בפרט, כוללים תחמוצת חנקן (II) וחנקן תחמוצת (IV), טבלה 6.1.
6.1.5. חישוב השפעות תרמיות של תגובות כימיות
לחישוב האנטלפיות של תהליכים משתמשים בתוצאה מחוק הס: האנטלפיה של תגובה שווה לסכום האנטלפיות של היווצרות תוצרי התגובה פחות סכום האנטלפיות של היווצרות חומרי המוצא, תוך התחשבות מקדמים סטוכיומטריים.
בואו לחשב את האנטלפיה של פירוק סידן פחמתי. התהליך מתואר באמצעות המשוואה הבאה:
CaCO 3 (k) = CaO (k) + CO 2 (g).
האנטלפיה של תגובה זו תהיה שווה לסכום האנטלפיות של היווצרות תחמוצת סידן פחמן דו חמצנימינוס האנטלפיה של היווצרות סידן פחמתי:
Δ H o 298 = Δ H f o 298 (CaO (k)) + Δ H f o 298 (CO 2 (g)) - Δ H f o 298 (CaCO 3 (k)).
שימוש בנתונים בטבלה 6.1. אנחנו מקבלים:
Δ H o 298 = - 635.1 -393.5 + 1206.8 = + 178.2 קילו-ג'יי.
מהנתונים שהתקבלו עולה כי התגובה הנבחנת היא אנדותרמית, כלומר. ממשיך עם ספיגת החום.
CaO (k) + CO 2 (k) = CaCO 3 (k)
מלווה בשחרור חום. האנטלפיה שלו תהיה שווה
Δ H o 298 = -1206.8 +635.1 + 393.5 = -178.2 קילו-ג'יי.
6.2. קצב התגובות הכימיות
6.2.1. מושג מהירות תגובה
הענף בכימיה העוסק בקצב ובמנגנוני התגובות הכימיות נקרא קינטיקה כימית. אחד ממושגי המפתח בקינטיקה כימית הוא קצב התגובה הכימית.
קצב התגובה הכימית נקבע על ידי השינוי בריכוז המגיבים ליחידת זמן עם נפח קבוע של המערכת.
בואו נשקול התהליך הבא:
תנו בנקודת זמן מסוימת t 1 ריכוז החומר A יהיה שווה לערך c 1 , וברגע t 2 - לערך c 2 . במהלך פרק הזמן מ-t 1 עד t 2, השינוי בריכוז יהיה Δ c = c 2 – c 1. קצב התגובה הממוצע הוא:
סימן המינוס מוצב מכיוון שככל שהתגובה מתמשכת (Δ t> 0) ריכוז החומר יורד (Δ s< 0), в то время, как скорость реакции является положительной величиной.
קצב התגובה הכימית תלוי באופי המגיבים ובתנאי התגובה: ריכוז, טמפרטורה, נוכחות של זרז, לחץ (לתגובות גזים) ועוד כמה גורמים. בפרט, ככל ששטח המגע של חומרים גדל, קצב התגובה עולה. קצב התגובה גם גדל עם מהירות הערבוב הגוברת של המגיבים.
הערך המספרי של קצב התגובה תלוי גם מאיזה רכיב מחושב קצב התגובה. למשל, מהירות התהליך
H 2 + I 2 = 2HI,
מחושב מהשינוי בריכוז של HI הוא פי שניים מקצב התגובה המחושב מהשינוי בריכוז הריאגנטים H 2 או I 2.
6.2.2. תלות קצב התגובה בריכוז; סדר ומולקולריות של התגובה
החוק הבסיסי של קינטיקה כימית הוא חוֹק המונים פעילים – קובע את התלות של קצב התגובה בריכוז המגיבים.
קצב התגובה הוא פרופורציונלי לתוצר של ריכוזי המגיבים. לתגובה שנכתבה ב השקפה כלליתאֵיך
aA + bB = cC + dD,
התלות של קצב התגובה בריכוז היא בצורה:
v = k [A] α [B] β .
במשוואה קינטית זו, k הוא מקדם המידתיות, הנקרא קבוע קצב; [A] ו-[B] הם ריכוז החומרים A ו-B. קבוע קצב התגובה k תלוי באופי המגיבים ובטמפרטורה, אך אינו תלוי בריכוזיהם. מקדמים α ו-β נמצאים מנתוני ניסוי.
סכום המעריכים במשוואות קינטיות נקרא סך בסדרתגובות. יש גם סדר תגובה מסוים לאחד המרכיבים. למשל, לתגובה
H 2 + C1 2 = 2 HC1
המשוואה הקינטית נראית כך:
v = k 1/2,
הָהֵן. הסדר הכולל הוא 1.5 וסדרי התגובה עבור הרכיבים H 2 ו- C1 2 הם 1 ו- 0.5, בהתאמה.
מולקולריותהתגובה נקבעת על פי מספר החלקיקים שהתנגשותם בו-זמנית מבצעת פעולה יסודית של אינטראקציה כימית. מעשה יסודי (שלב יסודי)- פעולה אחת של אינטראקציה או טרנספורמציה של חלקיקים (מולקולות, יונים, רדיקלים) לחלקיקים אחרים. עבור תגובות יסודיות, המולקולריות וסדר התגובה זהים. אם התהליך הוא רב-שלבי ולכן כתיבת משוואת התגובה אינה חושפת את מנגנון התהליך, סדר התגובה אינו עולה בקנה אחד עם המולקולריות שלו.
תגובות כימיות מחולקות לפשוטות (חד-שלביות) ולמורכבות, המתרחשות במספר שלבים.
תגובה מונומולקולריתהיא תגובה שבה המעשה היסודי הוא טרנספורמציה כימית של מולקולה אחת. לדוגמה:
CH 3 CHO (g) = CH 4 (g) + CO (g).
תגובה בימולקולרית- תגובה שבה המעשה היסודי מתרחש כאשר שני חלקיקים מתנגשים. לדוגמה:
H 2 (g) + I 2 (g) = 2 HI (g).
תגובה טרימולקולרית- תגובה פשוטה, שהמעשה היסודי שלה מתרחש במהלך התנגשות בו-זמנית של שלוש מולקולות. לדוגמה:
2NO (g) + O 2 (g) = 2 NO 2 (g).
הוכח כי התנגשות בו-זמנית של יותר משלוש מולקולות, המובילה ליצירת תוצרי תגובה, היא כמעט בלתי אפשרית.
חוק פעולת המסה אינו חל על תגובות הכוללות מוצקים, שכן ריכוזיהם קבועים והם מגיבים רק על פני השטח. קצב תגובות כאלה תלוי בגודל משטח המגע בין החומרים המגיבים.
6.2.3. תלות קצב התגובה בטמפרטורה
קצב התגובות הכימיות עולה עם עליית הטמפרטורה. עלייה זו נגרמת על ידי עלייה באנרגיה הקינטית של המולקולות. בשנת 1884, הכימאי ההולנדי ואן הוף ניסח את הכלל: עם כל עלייה של 10 מעלות בטמפרטורה, קצב התגובות הכימיות עולה פי 2-4.
הכלל של ואן הוף כתוב כך:
,
כאשר V t 1 ו- V t 2 הם קצבי התגובה בטמפרטורות t 1 ו- t 2; γ הוא מקדם הטמפרטורה של המהירות, שווה ל-2 - 4.
הכלל של ואן הוף משמש לקירוב השפעת הטמפרטורה על קצב התגובה. משוואה מדויקת יותר המתארת את התלות של קבוע קצב התגובה בטמפרטורה הוצעה בשנת 1889 על ידי המדען השוודי S. Arrhenius:
.
במשוואת Arrhenius, A הוא קבוע, E הוא אנרגיית ההפעלה (J/mol); T - טמפרטורה, K.
לפי Arrhenius, לא כל התנגשויות של מולקולות מובילות לטרנספורמציות כימיות. רק מולקולות בעלות עודף אנרגיה מסוגלות להגיב. האנרגיה העודפת הזו שחייבת להיות לחלקיקים המתנגשים כדי שתתרחש תגובה ביניהם נקראת אנרגיית הפעלה.
6.3. מושג קטליזה וזרזים
זרז הוא חומר שמשנה את קצב התגובה הכימית, אך נשאר ללא שינוי מבחינה כימית לאחר השלמת התגובה.
חלק מהזרזים מאיצים את התגובה, אחרים נקראים מעכבים, להאט את התקדמותו. לדוגמה, הוספת כמות קטנה של MnO 2 למי חמצן H2O2 כזרז גורמת לפירוק מהיר:
2 H 2 O 2 –(MnO 2) 2 H 2 O + O 2.
בנוכחות כמויות קטנות של חומצה גופרתית, נצפית ירידה בקצב הפירוק של H 2 O 2. בתגובה זו, חומצה גופרתית פועלת כמעכבת.
תלוי אם הזרז נמצא באותו שלב כמו המגיבים או יוצר שלב עצמאי, הם מבחינים הוֹמוֹגֵנִיו קטליזה הטרוגנית.
קטליזה הומוגנית
במקרה של קטליזה הומוגנית, המגיבים והזרז נמצאים באותו שלב, למשל, גזים. מנגנון הפעולה של הזרז מבוסס על העובדה שהוא יוצר אינטראקציה עם חומרים מגיבים ליצירת תרכובות ביניים.
הבה נבחן את מנגנון הפעולה של הזרז. בהיעדר זרז, התגובה
זה ממשיך לאט מאוד. הזרז יוצר תוצר ביניים תגובתי עם חומרי המוצא (לדוגמה, עם חומר B):
אשר מגיב בעוצמה עם חומר מוצא אחר ליצירת תוצר התגובה הסופי:
VK + A = AB + K.
קטליזה הומוגנית מתרחשת, למשל, בתהליך של חמצון של תחמוצת גופרית(IV) לתחמוצת גופרית(VI), המתרחשת בנוכחות תחמוצות חנקן.
תגובה הומוגנית
2 SO 2 + O 2 = 2 SO 3
בהיעדר זרז זה הולך לאט מאוד. אבל כאשר מכניסים זרז (NO), נוצרת תרכובת ביניים (NO2):
O 2 + 2 NO = 2 NO 2,
שמחמצן בקלות SO 2:
NO 2 + SO 2 = SO 3 + NO.
אנרגיית ההפעלה של התהליך האחרון נמוכה מאוד, ולכן התגובה ממשיכה במהירות גבוהה. לפיכך, ההשפעה של זרזים מצטמצמת להפחתת אנרגיית ההפעלה של התגובה.
קטליזה הטרוגנית
בקטליזה הטרוגנית, הזרז והמגיבים נמצאים בפנים שלבים שונים. הזרז נמצא בדרך כלל במצב מוצק, והמגיבים נמצאים במצב נוזלי או גזי. בקטליזה הטרוגנית, האצת התהליך קשורה בדרך כלל להשפעה הקטליטית של משטח הזרז.
זרזים נבדלים על ידי סלקטיביות הפעולה שלהם. אז, למשל, בנוכחות זרז תחמוצת אלומיניום Al 2 O 3 ב-300 o C, מים ואתילן מתקבלים מאלכוהול אתילי:
C 2 H 5 OH – (Al 2 O 3) C 2 H 4 + H 2 O.
באותה טמפרטורה, אך בנוכחות Cu נחושת כזרז, מתרחשת דה-הידרוגנציה של אלכוהול אתילי:
C 2 H 5 OH – (Cu) CH 3 CHO + H 2 .
כמויות קטנות של חומרים מסוימים מפחיתות או אפילו הורסים לחלוטין את פעילות הזרזים (הרעלת זרז). חומרים כאלה נקראים רעלים קטליטיים. לדוגמה, חמצן גורם להרעלה הפיכה של זרז הברזל במהלך הסינתזה של NH 3. ניתן לשחזר את הפעילות של הזרז על ידי העברת תערובת טרייה של חנקן ומימן מטוהרת מחמצן. גופרית גורמת להרעלה בלתי הפיכה של הזרז במהלך הסינתזה של NH 3. לא ניתן לשחזר את פעילותו על ידי העברת תערובת N 2 + H 2 טרייה.
חומרים המשפרים את פעולתם של זרזי תגובה נקראים יזמים, או מפעילים(זרזי פלטינה מקודמים, למשל, על ידי הוספת ברזל או אלומיניום).
המנגנון של קטליזה הטרוגנית מורכב יותר. תיאוריית הספיחה של קטליזה משמשת להסברה. פני השטח של הזרז הם הטרוגניים, ולכן יש עליו מה שנקרא מרכזים פעילים. ספיחה של חומרים מגיבים מתרחשת במרכזים פעילים. התהליך האחרון מקרב את המולקולות המגיבות זו לזו ומגביר את פעילותן הכימית, שכן הקשרים בין אטומים במולקולות נספגות נחלשים והמרחק בין האטומים גדל.
מאידך, מאמינים כי ההשפעה המואצת של הזרז בקטליזה הטרוגנית נובעת מכך שהמגיבים יוצרים תרכובות ביניים (כמו במקרה של קטליזה הומוגנית), מה שמוביל לירידה באנרגיית ההפעלה.
6.4. שיווי משקל כימי
תגובות בלתי הפיכות והפיכות
תגובות המתמשכות רק בכיוון אחד ומסתיימות בהמרה מלאה של חומרי מוצא לחומרים סופיים נקראות בלתי הפיכות.
בלתי הפיך, כלומר. ממשיכים להשלמה הן תגובות שבהן
תגובות כימיות שיכולות ללכת בכיוונים מנוגדים נקראות הפיכות.תגובות הפיכות אופייניות הן סינתזה של אמוניה וחמצון של תחמוצת גופרית (IV) לתחמוצת גופרית (VI):
N 2 + 3 H 2 2 NH 3,
2 SO 2 + O 2 2 SO 3.
בעת כתיבת משוואות לתגובות הפיכות, במקום סימן שוויון, השתמש בשני חצים המצביעים לכיוונים מנוגדים.
בתגובות הפיכות, לקצב התגובה הישירה ברגע הזמן הראשוני יש ערך מקסימלי, שיורד ככל שריכוז הריאגנטים הראשוניים יורד. להיפך, לתגובה ההפוכה יש בתחילה קצב מינימלי, הגובר ככל שריכוז המוצרים עולה. כתוצאה מכך, מגיע רגע שבו קצבי התגובות קדימה ואחורה הופכים שווים ומתבסס שיווי משקל כימי במערכת.
שיווי משקל כימי
המצב של מערכת חומרים מגיבים בה קצב התגובה הקדמית הופך שווה לקצב התגובה ההפוכה נקרא שיווי משקל כימי.
שיווי משקל כימי נקרא גם שיווי משקל אמיתי. בנוסף לשוויון שיעורי התגובות קדימה ואחורה, שיווי משקל אמיתי (כימי) מאופיין על ידי את הסימנים הבאים:
- מצב המערכת זהה ללא קשר מאיזה צד המערכת מתקרבת לשיווי משקל - מהצד של חומרי המוצא או מהצד של תוצרי התגובה.
הבלתי משתנה של מצב המערכת נגרמת על ידי התרחשות של תגובות ישירות והפוכות, כלומר, מצב שיווי המשקל הוא דינמי;
מצב המערכת נשאר ללא שינוי לאורך זמן אם המערכת אינה מושפעת השפעה חיצונית;
כל השפעה חיצונית גורמת לשינוי בשיווי המשקל של המערכת; עם זאת, אם ההשפעה החיצונית מוסרת, המערכת חוזרת למצבה המקורי;
צריך להבדיל מהאמת שיווי משקל לכאורה. לדוגמה, ניתן לאחסן תערובת של חמצן ומימן בכלי סגור בטמפרטורת החדר למשך זמן רב ללא הגבלת זמן. עם זאת, התחלת התגובה (פריקה חשמלית, קרינה אולטרה סגולה, עלייה בטמפרטורה) גורמת לתגובה בלתי הפיכה של היווצרות מים.
6.5. העיקרון של לה שאטלייר
נקבעת ההשפעה של שינויים בתנאים החיצוניים על מיקום שיווי המשקל העיקרון של לה שאטלה (צרפת, 1884): אם מופעלת השפעה חיצונית כלשהי על מערכת במצב של שיווי משקל, אז שיווי המשקל במערכת יעבור לקראת החלשת השפעה זו.
העיקרון של Le Chatelier חל לא רק על תהליכים כימיים, אלא גם על פיסיקליים, כגון רתיחה, התגבשות, פירוק וכו'.
הבה נבחן את ההשפעה של גורמים שונים על שיווי המשקל הכימי באמצעות הדוגמה של תגובת סינתזת האמוניה:
N 2 + 3 H 2 2 NH 3; ΔH = -91.8 קילו-ג'יי.
השפעת הריכוז על שיווי משקל כימי.
בהתאם לעיקרון של Le Chatelier, עלייה בריכוז חומרי המוצא מסיטה את שיווי המשקל לכיוון היווצרות תוצרי תגובה. עלייה בריכוז תוצרי התגובה מסיטה את שיווי המשקל לכיוון היווצרות חומרי המוצא.
בתהליך סינתזת האמוניה שנדון לעיל, הכנסת כמויות נוספות של N 2 או H 2 למערכת שיווי המשקל גורמת לשינוי בשיווי המשקל בכיוון בו ריכוז החומרים הללו יורד, ולכן שיווי המשקל עובר לקראת היווצרות של NH3. עלייה בריכוז האמוניה מסיטה את שיווי המשקל לכיוון חומרי האם.
הזרז מאיץ הן את התגובות קדימה והן לאחור באותה מידה הכנסת זרז אינה משפיעה על שיווי המשקל הכימי.
השפעת הטמפרטורה על שיווי המשקל הכימי
ככל שהטמפרטורה עולה, שיווי המשקל עובר לכיוון התגובה האנדותרמית, וככל שהטמפרטורה יורדת, לכיוון התגובה האקזותרמית.
מידת הסטת שיווי המשקל נקבעת על ידי הערך המוחלט של האפקט התרמי: ככל שערך ה-ΔH של התגובה גדול יותר, כך השפעת הטמפרטורה גדולה יותר.
בתגובת סינתזת האמוניה הנבדקת, עלייה בטמפרטורה תעביר את שיווי המשקל לכיוון חומרי המוצא.
השפעת הלחץ על שיווי המשקל הכימי
שינויים בלחץ משפיעים על שיווי המשקל הכימי הכולל חומרים גזים. לפי העיקרון של Le Chatelier, עלייה בלחץ מסיטה את שיווי המשקל לכיוון התגובה המתרחשת עם ירידה בנפח החומרים הגזים, וירידה בלחץ מסיטה את שיווי המשקל לכיוון ההפוך. התגובה של סינתזת אמוניה ממשיכה עם ירידה בנפח המערכת (יש ארבעה כרכים בצד שמאל של המשוואה, שניים בצד ימין). לכן, עלייה בלחץ מסיטה את שיווי המשקל לכיוון היווצרות אמוניה. ירידה בלחץ תעביר את שיווי המשקל ל צד הפוך. אם במשוואה של תגובה הפיכה מספר המולקולות של חומרים גזים בצד ימין ושמאל שווה (התגובה ממשיכה מבלי לשנות את נפח החומרים הגזים), אז הלחץ אינו משפיע על מיקום שיווי המשקל במערכת זו.
תרגיל 81.
חשב את כמות החום שתשתחרר במהלך הפחתת Fe 2 O 3 אלומיניום מתכתי אם התקבל 335.1 גרם ברזל. תשובה: 2543.1 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
משוואת תגובה:
= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669.8 -(-822.1) = -847.7 kJ
חישוב כמות החום המשתחררת בעת קבלת 335.1 גרם ברזל נעשה מהפרופורציה:
(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : איקס; x = (0847.7 . 335,1)/ (2 . 55.85) = 2543.1 קילו-ג'יי,
איפה 55.85 מסה אטומיתבלוטה.
תשובה: 2543.1 קילו-ג'יי.
השפעה תרמית של תגובה
משימה 82.
אלכוהול אתילי גזי C2H5OH ניתן להשיג על ידי אינטראקציה של אתילן C 2 H 4 (g) ואדי מים. כתוב את המשוואה התרמוכימית עבור תגובה זו, לאחר שחישבת תחילה את השפעתה התרמית. תשובה: -45.76 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
משוואת התגובה היא:
C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) = C2H 5 OH (g); = ?
הערכים של חום היווצרות הסטנדרטי של חומרים מובאים שולחנות מיוחדים. בהתחשב בכך שחממות היווצרות של חומרים פשוטים מקובלת ההנחה היא אפס. הבה נחשב את ההשפעה התרמית של התגובה באמצעות תוצאה של חוק הס, נקבל:
= (C 2 H 5 OH) – [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] =
= -235.1 -[(52.28) + (-241.83)] = - 45.76 קילו-ג'יי
משוואות תגובה שבהן על הסמלים תרכובות כימיותמצבי הצבירה או השינוי הגבישי שלהם מצוינים, כמו גם ערך מספריהשפעות תרמיות נקראות תרמוכימיות. במשוואות תרמוכימיות, אלא אם כן צוין במפורש, ערכי ההשפעות התרמיות בלחץ קבוע Q p מסומנים בשווים לשינוי האנטלפיה של המערכת. הערך ניתן בדרך כלל בצד ימין של המשוואה, מופרד בפסיק או נקודה-פסיק. מתקבלים הכינויים המקוצרים הבאים למצב צבירה של חומר: G- גזי, ו- נוזל, ל
אם חום משתחרר כתוצאה מתגובה, אז< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) = C 2 H 5 OH (g); = - 45.76 קילו-ג'יי.
תשובה:- 45.76 קילו-ג'יי.
משימה 83.
חשב את ההשפעה התרמית של תגובת ההפחתה של תחמוצת ברזל (II) עם מימן בהתבסס על המשוואות התרמוכימיות הבאות:
א) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO 2 (g); = -13.18 קילו-ג'יי;
ב) CO (g) + 1/2O 2 (g) = CO 2 (g); = -283.0 קילו-ג'יי;
ג) H 2 (g) + 1/2O 2 (g) = H 2 O (g); = -241.83 קילו-ג'יי.
תשובה: +27.99 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
למשוואת התגובה להפחתת תחמוצת ברזל (II) עם מימן יש את הצורה:
EeO (k) + H 2 (g) = Fe (k) + H 2 O (g); = ?
= (H2O) – [ (FeO)
חום היווצרות המים ניתן על ידי המשוואה
H 2 (g) + 1/2O 2 (g) = H 2 O (g); = -241.83 קילו-ג'יי,
וניתן לחשב את חום ההיווצרות של תחמוצת ברזל (II) על ידי הפחתת משוואה (א) מהמשוואה (ב).
=(ג) - (ב) - (א) = -241.83 - [-283.o - (-13.18)] = +27.99 קילו-ג'יי.
תשובה:+27.99 קילו-ג'יי.
משימה 84.
כאשר מימן גופרתי גזי ופחמן דו חמצני מתקשרים, נוצרים אדי מים ופחמן דיסולפיד CS 2 (g). כתבו את המשוואה התרמוכימית לתגובה זו וחשבו תחילה את ההשפעה התרמית שלה. תשובה: +65.43 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
G- גזי, ו- נוזל, ל-- גבישי. סמלים אלה מושמטים אם המצב האגרסיבי של החומרים ברור, למשל, O 2, H 2 וכו'.
משוואת התגובה היא:
2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = ?
הערכים של חום סטנדרטי של היווצרות חומרים ניתנים בטבלאות מיוחדות. בהתחשב בכך שחממות היווצרות של חומרים פשוטים מקובלת ההנחה היא אפס. ניתן לחשב את ההשפעה התרמית של תגובה באמצעות תוצאה של חוק הס:
= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)];
= 2(-241.83) + 115.28 – = +65.43 קילו-ג'יי.
2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = +65.43 קילו-ג'יי.
תשובה:+65.43 קילו-ג'יי.
משוואת תגובה תרמוכימית
משימה 85.
כתבו את המשוואה התרמוכימית לתגובה בין CO (g) למימן, וכתוצאה מכך נוצרים CH 4 (g) ו- H 2 O (g). כמה חום ישתחרר במהלך תגובה זו אם יופקו 67.2 ליטר מתאן במונחים של תנאים רגילים? תשובה: 618.48 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
משוואות תגובה שבהן מצב הצבירה או שינוי הגבישים שלהן, כמו גם הערך המספרי של השפעות תרמיות מצוינים ליד הסמלים של תרכובות כימיות, נקראות תרמוכימיות. במשוואות תרמוכימיות, אלא אם צוין במפורש, מצוינים ערכי השפעות תרמיות בלחץ קבוע Q p השווה לשינוי האנטלפיה של המערכת. הערך ניתן בדרך כלל בצד ימין של המשוואה, מופרד בפסיק או נקודה-פסיק. מתקבלים הכינויים המקוצרים הבאים למצב צבירה של חומר: G- גזי, ו- משהו, ל- גבישי. סמלים אלה מושמטים אם המצב האגרסיבי של החומרים ברור, למשל, O 2, H 2 וכו'.
משוואת התגובה היא:
CO (g) + 3H 2 (g) = CH 4 (g) + H 2 O (g); = ?
הערכים של חום סטנדרטי של היווצרות חומרים ניתנים בטבלאות מיוחדות. בהתחשב בכך שחממות היווצרות של חומרים פשוטים מקובלת ההנחה היא אפס. ניתן לחשב את ההשפעה התרמית של תגובה באמצעות תוצאה של חוק הס:
= (H 2 O) + (CH 4) – (CO)];
= (-241.83) + (-74.84)– (-110.52) = -206.16 קילו-ג'יי.
המשוואה התרמוכימית תהיה:
22,4 : -206,16 = 67,2 : איקס; x = 67.2 (-206.16)/22?4 = -618.48 קילו-ג'יי; Q = 618.48 קילו-ג'יי.
תשובה: 618.48 קילו-ג'יי.
חום היווצרות
משימה 86.
ההשפעה התרמית של התגובה שלה שווה לחום ההיווצרות. חשב את חום היווצרות NO בהתבסס על המשוואות התרמוכימיות הבאות:
א) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 O (l); = -1168.80 קילו-ג'יי;
ב) 4NH 3 (g) + 3O 2 (g) = 2N 2 (g) + 6H 2 O (l); = -1530.28 קילו-ג'יי
תשובה: 90.37 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
חום ההיווצרות הסטנדרטי שווה לחום התגובה של היווצרות 1 מול של חומר זה מחומרים פשוטים בתנאים סטנדרטיים (T = 298 K; p = 1.0325.105 Pa). היווצרות NO מחומרים פשוטים יכולה להיות מיוצגת באופן הבא:
1/2N 2 + 1/2O 2 = NO
נתונה תגובה (א), המייצרת 4 מול של NO, ותגובה נתונה (ב), שמייצרת 2 מול N2. חמצן מעורב בשתי התגובות. לכן, כדי לקבוע את חום היווצרות הסטנדרטי של NO, אנו מרכיבים את מחזור הס הבא, כלומר, עלינו להחסיר משוואה (א) מהמשוואה (ב):
לפיכך, 1/2N 2 + 1/2O 2 = NO; = +90.37 קילו-ג'יי.
תשובה: 618.48 קילו-ג'יי.
משימה 87.
אמוניום כלוריד גבישי נוצר על ידי תגובה של גזי אמוניה ומימן כלורי. כתוב את המשוואה התרמוכימית עבור תגובה זו, לאחר שחישבת תחילה את השפעתה התרמית. כמה חום ישתחרר אם 10 ליטר אמוניה ייצרכו בתגובה, מחושב בתנאים רגילים? תשובה: 78.97 קילו-ג'יי.
פִּתָרוֹן:
משוואות תגובה שבהן מצב הצבירה או שינוי הגבישים שלהן, כמו גם הערך המספרי של השפעות תרמיות מצוינים ליד הסמלים של תרכובות כימיות, נקראות תרמוכימיות. במשוואות תרמוכימיות, אלא אם צוין במפורש, מצוינים ערכי השפעות תרמיות בלחץ קבוע Q p השווה לשינוי האנטלפיה של המערכת. הערך ניתן בדרך כלל בצד ימין של המשוואה, מופרד בפסיק או נקודה-פסיק. התקבלו הדברים הבאים: ל-- גבישי. סמלים אלה מושמטים אם המצב האגרסיבי של החומרים ברור, למשל, O 2, H 2 וכו'.
משוואת התגובה היא:
NH 3 (g) + HCl (g) = NH 4 Cl (k). ; = ?
הערכים של חום סטנדרטי של היווצרות חומרים ניתנים בטבלאות מיוחדות. בהתחשב בכך שחממות היווצרות של חומרים פשוטים מקובלת ההנחה היא אפס. ניתן לחשב את ההשפעה התרמית של תגובה באמצעות תוצאה של חוק הס:
= (NH4Cl) – [(NH 3) + (HCl)];
= -315.39 - [-46.19 + (-92.31) = -176.85 קילו-ג'יי.
המשוואה התרמוכימית תהיה:
החום המשתחרר במהלך התגובה של 10 ליטר אמוניה בתגובה זו נקבע מהפרופורציה:
22,4 : -176,85 = 10 : איקס; x = 10 (-176.85)/22.4 = -78.97 קילו-ג'יי; Q = 78.97 קילו-ג'יי.
תשובה: 78.97 קילו-ג'יי.
