по химии ученицы 9 класса «Б»
СОДЕРЖАНИЕ: И хотя алхимики занимались лишь поиском способов превращения неблагородных металлов в золото и достижения бессмертия, все же их опыты стали первыми шагами в развитии химии. Знаменитый немецкий химик Либих писал про алхимию, что она «никогда не была ничем иным, как химией». 1МОСКОВСКАЯ ГОРОДСКАЯ ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ
ГИМНАЗИЯ – ЛАБОРАТОРИЯ № 1505
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.
Реферат по химии
ученицы 9 класса «Б»
Корнеевой Ольги
Руководитель – Давыдочкина С. В.
Москва - 2011 г.
Введение
Наука химия изучалась людьми с древнейших времен. Еще в античной Греции философ Демокрит предположил существование атомов, мельчайших частиц вещества, из которых состоит все существующее. Сама химия – дочь известной лженауки алхимии, возникшей в IV веке нашей эры. И хотя алхимики занимались лишь поиском способов превращения неблагородных металлов в золото и достижения бессмертия, все же их опыты стали первыми шагами в развитии химии. Знаменитый немецкий химик Либих писал про алхимию, что она «никогда не была ничем иным, как химией».[1]
Как известно современным химикам, всякая жизнь на Земле невозможна без протекания химических реакций. Они происходят, когда живые существа питаются, спят, дышат. Они составляют основу создания и существования большинства современных предметов. Без химических реакций нашу планету не защищал бы озоновый слой, в недрах земли не скрывались бы полезные ископаемые, даже Солнце не светило бы. Поэтому химические реакции – одна из самых важных вещей на Земле, а их изучение – трудный, но очень полезный процесс.
Но охватить всю суть химических реакций в одном реферате невозможно. Можно лишь описать какую-то их сторону. Именно поэтому я и выбрала в качестве темы своего исследования, наверное, один из самых интересных и уж точно один из самых важных аспектов химических реакций – тепловой эффект.
Знание теплового эффекта нужно для многих технических расчетов. Например, зная тепловой эффект водорода и кислорода, можно построить реакцию этих веществ в нужных количествах и поднять в воздух целую космическую ракету и даже вывести ее на орбиту! В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии. Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий.[2]
Проще говоря, химические реакции, а вместе с ними и тепловой эффект, прочно вросли в современную жизнь человека и общества. Именно потому, что сейчас они являются неотъемлемой частью нашей жизни, и следует обратить внимание на эту тему. И именно поэтому эта тема взята мною за основу для моего реферата.
Глава первая. Основные понятия термодинамики.
Термодинамика (греч. — «тепло», — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника (Тема моего реферата относится к химической термодинамике).
Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура» и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.
В данной главе мы познакомимся с основными законами и понятиями термодинамики.
Термодинамические превращения подчиняются основным законам термодинамики – термодинамическим началам . Всего их 3, плюс примечание, называемое также нулевым началом термодинамики.
Первое начало термодинамики - закон сохранения энергии для термодинамических процессов. Он гласит:
Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую.
Энергия бывает разной. В физике рассматривают такие ее виды, как, например, потенциальная и кинетическая. В химии важнее внутренняя энергия веществ (энергия движения их молекул и атомов). Изменение внутренней энергии веществ в ходе х. р.[3] гораздо больше изменения их потенциальной и кинетической энергии. Поэтому при проведении лабораторных опытов мы не кидаемся пробирками с веществами для большего изменения их энергии (что нужно нам для проведения реакции), а используем другие способы. Часть внутренней энергии, связанная с движением электронов в атомах, называется химической энергией .
Кроме того, в х. р. важно знать тепловую энергию веществ. Так называют суммарную энергию атомов в молекуле и молекул в целом. Мерой тепловой энергии является температура тела. Кроме того, она зависит и от агрегатного состояния вещества, и от типа молекул. Тепловая энергия выделяется, например, когда химическая энергия исходных веществ в ходе х. р. больше, чем энергия продуктов.
Закон сохранения энергии для химических реакций гласит:
Тепловая энергия, выделившаяся в ходе х. р., равна изменению химической энергии.
Второе начало термодинамики имеет несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок.
1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе . Это явление называют рассеиванием, или диссипацией, энергии.
2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе .
Третье начало термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю .
Энтропия (от греч. — поворот, превращение) – в естественных науках — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.
В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для инвариантности и вариативности исторического процесса.
Именно Клаузиус впервые ввел это слово в термодинамике в 1865 году. В термодинамике оно означает меру необратимого рассеивания энергии, меру отклонения реального процесса от идеального.
Существует также примечание к началам , или нулевой закон термодинамики .
Нулевое начало термодинамики гласит:
Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.
При расчетах х. р. химикам важно знать эти законы.
Термодинамика содержит множество формул, описывающих преобразования энергии в ходе х. р., и все они подчиняются основным законам, речь о которых шла в данной главе. Существует еще не один закон, описывающий ход химических реакций. Один из таких законов – закон Гесса.
Глава вторая. Закон Гесса.
В отдельную статью выделяется закон термохимии, сформулированный русским химиком Германом Гессом в 1840 году. Этот закон является частным случаем первого начала термодинамики (применительно к х. р.)
Он гласит:
Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях[4] , зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.
Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные состояния веществ одинаковы). Например, окисление глюкозы в организме осуществляется по очень сложному многостадийному механизму, однако суммарный тепловой эффект всех стадий данного процесса равен теплоте сгорания глюкозы.[5]
Очень важны следствия из закона:
1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье — Лапласа).
2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования (Hf) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты ().
3. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (Hc) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты ().
Здесь следует рассказать подробнее о теплоте образования.
Теплота образования химического вещества – это тепловой эффект образования 1 моль этого вещества из простых веществ. Т. обр. обозначается символом Hf . Если реакция экзотермическая, то Hf 0, а если эндотермическая, то Hf 0. Причем при сильно эндотермических реакциях образовавшееся соединение часто оказывается нестабильным и распадается обратно на простые вещества. Теплоты образования веществ используют при расчете тепловых эффектов реакций, причем нужно знать как Hf исходных веществ, так и Hf продуктов реакции.
Теплота сгорания — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (Дж или кал на 1 кг, м или моль).
Таким образом, пользуясь табличными значениями теплот образования или сгорания веществ, можно рассчитать теплоту реакции, не прибегая к эксперименту. Табличные величины теплот образования и сгорания веществ обычно относятся к т.н. стандартным условиям.
Стандартные условия – стандартные физические условия, определяемые давлением 101325 Па (760 мм рт.ст.) и абсолютной температурой 273.15 К, при которых объем 1 моль идеального газа равен 0.022414 м3 .
Для расчёта теплоты процесса, протекающего при иных условиях, необходимо использовать и другие законы термохимии, например, закон Кирхгофа, описывающий зависимость теплового эффекта реакции от температуры.
Если начальное и конечное состояния химической реакции (реакций) совпадают, то ее (их) тепловой эффект равен нулю.[6]
Важность закона Гесса состоит в том, что можно просчитать тепловой эффект практически любой химической реакции, несмотря на то, как протекает реакция.
Глава третья. Тепловой эффект.
Ни одна химическая реакция не проходит без затрат или выделения определенного количества энергии, или тепла. Это происходит оттого, что в каждом веществе изначально присутствует некое количество энергии. Причем в разных веществах это количество разное.
На основе разницы между запасом энергии в исходных веществах и продуктах реакции выделяют два типа реакций.
Первый тип – реакции с выделением тепла, или экзотермические (от греч. экзо – наружу) реакции. К нему относятся реакции, в которых запас энергии исходных веществ больше, чем запас энергии продуктов реакции.
Реакции, в которых продукты имеют больший запас энергии, относят ко второму типу – реакции с поглощением тепла, или эндотермические(от греч. эндо – внутрь). Тепловой эффект, т. е. количество теплоты, выделившееся или поглощенное во время протекания реакции, обозначается символом Q и измеряется в килоджоулях (кДж). Мы называем это явление тепловым эффектом , хотя точнее было бы говорить об энергетическом эффекте реакции.
Химики изображают изменение энергии веществ в ходе протекания реакций с помощью так называемых энергетических кривых. Их изучению будет посвящена одна из глав моего реферата.
Следует обратить внимание на способ записи уравнений реакции, если в ходе их протекания учитывается тепловой эффект. Такие уравнения называются термохимическими и строятся с некоторым отличием от реакций, при проведении которых тепловой эффект не учитывается. Например:
2 H2 (г.) + O2 (г.) = 2 Н2 О (ж.) + 572 кДж
2 H2 (г.) + O2 (г.) = 2 Н2 О (г.) + 484 кДж
Как видно из этих уравнений, при записи термохимического уравнения реакции нужно отмечать агрегатные состояния веществ, вступающих в реакцию, и ее продуктов. Это важно, так как при переходе из одного агрегатного состояния в другое вещество ВСЕГДА меняет свой запас энергии (см. уравнения). Также следует отметить, что при записи термохимического уравнения нужно отмечать, выделилась энергия или поглотилась, и в каких количествах. Тепловой эффект соответствует коэффициентам в уравнении. Причем тепловой эффект прямо пропорционален количеству вещества. То есть, чем больше исходных веществ мы возьмем, тем больше получим выделившейся или поглощенной энергии. При этом следует помнить, что в таком случае нужно взять больше ВСЕХ исходных веществ, иначе реакция протечет не полностью, и разницы в тепловом эффекте не будет.
Тепловой эффект зависит не только от количества реагирующих веществ и продуктов реакции и их природы, но и от внешних факторов, таких как температура и давление. При этом внешние факторы могут оставаться неизменными, тогда мы будем иметь дело с изобарными и изотермическими процессами.
Изобарный процесс (др.-греч. — «одинаковый»и — «вес») — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении.
Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.
Изохорный процесс (от др.-греч. — «ровный», и chora — «пространство, занятое место») — это термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма.
Также при проведении реакции в условиях одного из вышеуказанных процессов, мы можем говорить об энтальпии системы.
Энтальпия (также тепловая функция и теплосодержание) — термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии (см. Глава первая) и числа частиц.
Знание тепловых эффектов химических реакций имеет большое практическое значение, как в химии, так и в других областях науки (например, физике и медицине). Так при проектировании промышленного реактора необходимо знать, сколько тепловой энергии должно затрачиваться или будет выделяться в ходе реакции за единицу времени. В первом случае необходимо предусмотреть приток энергии для поддержания реакции, например путем подогрева реактора. Во втором случае, наоборот, необходимо эффективно отводить излишек теплоты, иначе произойдет перегрев реактора со всеми вытекающими отсюда последствиями, вплоть до взрыва.
[1] История алхимии от Гермеса Трисмегиста до эпохи Просвещения [Электронный ресурс]// Сайт художественно-исторического музея «Планета Small Bay». – Электрон. Данные. – М., 2010. – Режим доступа: http://smallbay.ru/alchemia.html, свободный. – Загл. С экрана. – Данные соответствуют 20. 11. 2010
[2] А. В. Мануйлов, В. И. Родионов Основы химии. Электронный учебник.[Электронный ресурс] // - Электрон. данные. – М.,2010. – Режим доступа: http://www.hemi.nsu.ru/ucheb211.htm, свободный. – Загл. С экрана. – Данные соответствуют 20.11.2010.
[3] Здесь и далее – химические реакции.
[4] См. Глава третья, стр. 8
[5] Материал из Википедии – Свободной энциклопедии. http://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Гесса, данные соответствуют 31.01.2011
[6] Там же.