Основні теоретичні положення. Розділ хімії, у якому вивчаються теплові ефекти реакцій, називається термохімією

Розділ хімії, у якому вивчаються теплові ефекти реакцій, називається термохімією. В основу термохімічних розрахунків покладений закон Гесса, який є наслідком першого закону термодинамики: тепловий ефект реакції визначається тільки природою та станом початкових та кінцевих продуктів реакції та не залежить від шляху процесу (проміжних стадій). Звичайно тепловий ефект приводять до стандартного стану реагентів (298 К, 101 кПа = 1 атм) та відносять до 1 моль будь-якого з реагентів.

Вимір теплових ефектів здійснюється в калориметрі, який у найпростішому випадку являє собою посудину, у якій речовина, що досліджується, ізольована від теплообміну з зовнішнім середовищем. Якщо досліджуваний процес проходить досить швидко та теплообмін з зовнішнім середовищем незначний, то DH = W^.DT, де W - додатна теплоємність усіх складових частин калориметра, або його водяний еквівалент; DT - зміна температури.

Щоб досить точно визначити зміни температури в лабораторних та виробничих умовах (коли DT не більше 5⁰), зручно користуватися термометром Бекмана, який дозволяє визначати зміни температури з точністю до 0,002⁰. Він працює в діапазоні від -30 до +150⁰С, адже "0" шкали термометра Бекмана не відповідає будь-якій визначеній температурі, а залежить від того, скільки ртуті переведено з нижнього резервуару до U-подібного потовщення у верхній частині термометра. Відповідно, чим менше ртуті в нижньому резервуарі, тим більше треба нагріти його, щоб стовпчик термометра піднявся по капіляру.

Точне вимірювання прирощення температури протягом калориметричного досліду неможливе, бо водночас з процесами, що відбуваються в калориметрі, здійснюється теплообмін між ним та довколишнім середовищем. Щоб урахувати цей теплообмін, треба спеціально вивчати зміни температури калориметра тоді, коли процес у калориметрі ще не почався і коли вже закінчився. Тому калориметричний дослід завжди розподіляється на три частини (рис. 1):

Т К Г В     О   A Б Н   t Рис. 1. Залежність температури від часу реакції сильної кислоти з сильним лугом

1. Початковий (АБ), коли температура системи змінюється тільки за рахунок теплообміну.

2. Головний (БОВ), коли в калориметрі здійснюється виділення (або вибрання) тепла в результаті проходження хімічної реакції, та одночасно відбувається теплообмін.

3. Кінцевий (ВГ), коли температура знову змінюється за рахунок теплообміну.

Отримане прирощення температури складається з прирощення за рахунок теплообміну та теплового ефекту процесу, що вивчається. Коли головний період нетривалий за часом, можна застосовувати спрощений графічний метод знаходження DT. При цьому береться, що на початку головного періоду (БО) теплообмін відбувається так само, як і в початковому (АБ), а наприкінці (ОВ) - як і в кінцевому (ВГ).

Користуючись таким спрощенням, а також екстраполюючи лінійні ділянки на графіку та вважаючи, що процес відбувся миттєво в момент часу t, можна визначити прирощення температури, що було oбумовлено тепловим ефектом реакції, як ділянку КН. Рівняння будь-якої реакції нейтралізації сильної кислоти (НCl, HClO₄ та ін.) сильним лугом, записане в скорoченій іонно-молекулярній формі, завжди дасть реакцію утворення води з гідратованих іонів водню та гідроксилу:

H⁺_aq + OH^-_aq = H₂O.

У розведених розчинах ця реакція супроводжується значним тепловим ефектом DН⁰ = -55,90 кДж/моль і не залежить від природи кислоти та лугу. Однак у більш концентрованих розчинах унаслідок явищ дисоціації та зміни ступеня гідратації значення теплового ефекту має власне, відмінне від -55,90 кДж/моль значення для кожної пари "кислота - луг".

Вимірювання відбувається в найпростішому калориметрі (рис. 2), який складається з двох скляних стаканів 1, 2, що знаходяться один в одному, пробкової прокладки 3. Вимірю­вання температури здійснюється за допомогою термометра Бекмана 4, який закріплено в штативі 5. Рідина перемішується мішалкою 6.

Поиск по сайту: