ЕНЕРГЕТИКА І НАПРЯМОК РЕАКЦИЙ

Вивчивши зміст глави 9, студенти повинні:

знати

• • можливі енергетичні явища при хімічних реакціях;
• • основні поняття хімічної термодинаміки;
• • сутність першого і другого почав термодинаміки;
• • закон Гесса і наслідки, що випливають з нього;
• • фактори, що визначають напрямок мимовільного протікання хімічних реакцій;

вміти

• • складати термохімічні рівняння реакцій;
• • проводити розрахунки зміни термодинамічних функцій системи при протіканні хімічних реакцій;
• • прогнозувати напрям самовільного протікання хімічних реакцій;
• • визначати характер процесу (ендо- або екзотермічний);
• • давати термодинамічну характеристику хімічного процесу;

володіти

• навичками використання таблиць термодинамічних властивостей для пошуку даних про речовини.

Взаємозв'язок хімічних реакцій і енергетичних явищ

Хімічні реакції нерозривно пов'язані з енергетичними явищами - виділенням або поглинанням теплоти, променевої енергії, вчиненням роботи, отриманням електричної енергії в результаті хімічної реакції і т.д. Енергія, що отримується при реакціях горіння різних видів палива, становить близько 70-75% всієї енергії, необхідної людству для роботи транспорту, побутових потреб, роботи промислових підприємств.

Життєдіяльність кожного живого організму також пов'язана з безперервною витратою енергії. Ця енергія запасена в вуглеводах і жирах. У клітинах діє дивно точно налагоджений механізм окислення цих речовин і передачі потенційної енергії на синтез білків, перерозподіл молекул і іонів між клітиною і навколишнім середовищем, вчинення механічної роботи.

Хімічні процеси не тільки служать джерелом енергії, але і самі протікають під контролем енергетичних факторів. Відповісти на питання, чи може відбуватися та чи інша реакція або стійко та чи інша речовина в даних умовах, можна тільки на основі даних про енергетику речовин і їх перетворень. Розглянемо деякі типові випадки, що характеризують взаємозв'язок хімічних реакцій і енергії.

1. Реакції горіння йдуть між газоподібним, рідким або твердим спалюється речовиною (відновлювачем) і, найчастіше, газоподібним окислювачем - киснем. Виділення енергії при реакціях горіння очевидно: розвивається висока температура, навколишніх тіл передається теплота. Промениста енергія також поглинається тілами і викликає підвищення температури. Цінною властивістю реакцій горіння є необхідність ініціювання реакції підпалом або сильним точковим нагрівом. Далі реакція йде мимовільно. Витрата енергії на ініціювання реакції не можна порівняти з виділенням енергії в ході реакції. Розглянемо чотири приклади реакцій горіння, записавши рівняння для 1 благаючи спалюється речовини:

Перед нами термохимические рівняння реакцій згоряння водню і трьох вуглеводнів. У дужках після формул вказано стан речовин. Теплота записана подібно продукту хімічної реакції. Друга реакція характеризує молярну теплоту згоряння звичайного побутового газу метану. Пропан в третій реакції теж широко використовується як паливо, так як він зручний для перевезення в рідкому вигляді в балонах. У четвертій реакції дана теплота згоряння изооктана, використовуваного як еталон для оцінки якості бензину. Молярні теплоти згорання в написаній послідовності зростають, так як в молекулах збільшується число атомів. У дужках дані питомі теплоти згорання, або теплотворна здатність. Вони виходять розподілом молярної теплоти згорання на молярну масу речовини. З цих даних випливає, що найефективнішим паливом є водень.

До звичайних реакцій горіння близькі реакції в деяких твердих сумішах відновлення і окислювача: металеві тирса і порошок сірки, вугілля і селітра і Г.Д. При точковому нагріванні в суміші починається швидка реакція, суміш розжарюється до червоного, утворюються тверді і газоподібні продукти згоряння:

Всі реакції в наведених прикладах екзотермічні, тобто йдуть з виділенням теплоти.

2. Численні реакції в розчинах протікають безпосередньо при змішуванні речовин, при цьому не потрібно нагрівання або якогось іншого впливу на розчин. Енергетичні ефекти виявляються тільки по зміні температури. Наприклад, при змішуванні рівних об'ємів розчинів хлороводню і гідроксиду натрію з концентраціями 1 моль / л при 20 ° С температура розчину підвищується до 26 ° С (рис. 9.1).

При поступовому охолодженні розчину до вихідної температури певну кількість теплоти виділяється в навколишнє середовище. Термохімічна реакція записується із зазначенням стану речовин буквами «aq» (у водному розчині; від лат. «Aqua» - вода):

Мал. 9.1. Реакція нейтралізації супроводжується підвищенням температури, після чого повільно виділяється теплота

3. Реакції розкладання. Будь-які речовини, включаючи і самі стійкі, розкладаються при нагріванні. У нарах води помітне розкладання на водень і кисень починається при температурі вище 2000 ° С. При 2000 ° С розкладається близько 1,8% води. Розкладання оборотно, і при зниженні температури знову утворюється вода:

Це приклад процесу, який не йде мимоволі, але в міру підвищення температури потроху зміщується в напрямку поглинання теплоти. Знак мінус в термохімічної рівнянні перед числовим значенням теплоти означає, що дана реакція ендотермічна , тобто йде з поглинанням теплоти. Практично водень і кисень в індивідуальному стані за допомогою цієї реакції не отримують, так як вони знаходяться в суміші і при охолодженні знову утворюють воду.

Якщо піддати термічному розкладанню карбонат кальцію СаС0 ₃ (вапняк), то можна отримати вапно СаО і вуглекислий газ, так як тверда речовина СаО залишається в печі, а вуглекислий газ видаляється в атмосферу:

• 4. Серед хімічних реакцій рідко зустрічаються такі, які йдуть з поглинанням енергії без зовнішнього нагрівання. Але все ж до фізико-хімічних процесів такого типу відноситься розчинення у воді кристаллогидратов солей і деяких безводних солей. Якщо в 50 г води внести приблизно таку ж масу нітрату амонію NH ₄ N0 ₃ і розчиняти при перемішуванні, то температура знижується настільки, що стакан зовні покривається інеєм. Отриманий розчин поглинає теплоту з навколишнього середовища. Це приклад самовільного ендотермічного процесу.
• 5. Є реакції, які можуть йти тільки при витраті зовнішньої енергії не в формі теплоти, а в формі електромагнітного випромінювання. Такі реакції називаються фотохімічними. Освіта глюкози в листі рослин при поглинанні сонячного проміння входить в комплекс чинників, що забезпечують існування життя на Землі в вищих формах. З точки зору енергетичного балансу це процес ендотермічний:

Поглинається промениста енергія еквівалентна 980 кДж теплоти. Приблизно стільки теплоти потрібно для нагрівання 3 л води від кімнатної температури до кипіння.

6. Багато реакції йдуть тільки при витраті електричної роботи. Прикладом такого процесу є електроліз води:

Ця реакція, на перший погляд, відрізняється від термічного розкладання води (див. Вище) тільки тим, що вода береться в рідкому стані. Але при електролізі водень і кисень утворюються на електродах окремо і можуть бути зібрані під тиском в балонах в чистому вигляді. Крім того, для електролізу не потрібно підвищувати температуру нагріванням.

Ми розглянули деякі типові випадки взаємних зв'язків хімічних реакцій і перетворень енергії. Далі треба буде пояснити спостережувані явища і навчитися передбачати можливість протікання реакцій на основі термодинаміки.