Энергетика и направление реакций

Изучив содержание главы 9, студенты должны:

знать

• • возможные энергетические явления при химических реакциях;
• • основные понятия химической термодинамики;
• • сущность первого и второго начал термодинамики;
• • закон Гесса и следствия, вытекающие из него;
• • факторы, определяющие направление самопроизвольного протекания химических реакций;

уметь

• • составлять термохимические уравнения реакций;
• • проводить расчеты изменения термодинамических функций системы при протекании химических реакций;
• • прогнозировать направление самопроизвольного протекания химических реакций;
• • определять характер процесса (эндоили экзотермический);
• • давать термодинамическую характеристику химического процесса;

владеть

• навыками использования таблиц термодинамических свойств для поиска данных о веществах.

Взаимосвязь химических реакций и энергетических явлений

Химические реакции неразрывно связаны с энергетическими явлениями — выделением или поглощением теплоты, лучистой энергии, совершением работы, получением электрической энергии в результате химической реакции и т. д. Энергия, получаемая при реакциях горения различных видов топлива, составляет около 70—75% всей энергии, необходимой человечеству для работы транспорта, бытовых потребностей, работы промышленных предприятий.

Жизнедеятельность каждого живого организма также связана с непрерывной затратой энергии. Эта энергия запасена в углеводах и жирах. В клетках действует удивительно точно отлаженный механизм окисления этих веществ и передачи потенциальной энергии на синтез белков, перераспределение молекул и ионов между клеткой и окружающей средой, совершение механической работы.

Химические процессы не только служат источником энергии, но и сами протекают под контролем энергетических факторов. Ответить на вопросы, может ли происходить та или иная реакция или устойчиво ли то или иное вещество в данных условиях, можно только на основе данных об энергетике веществ и их превращений. Рассмотрим некоторые типичные случаи, характеризующие взаимосвязь химических реакций и энергии.

1. Реакции горения идут между газообразным, жидким или твердым сжигаемым веществом (восстановителем) и, чаще всего, газообразным окислителем — кислородом. Выделение энергии при реакциях горения очевидно: развивается высокая температура, окружающим телам передается теплота. Лучистая энергия также поглощается телами и вызывает повышение температуры. Ценным свойством реакций горения является необходимость инициирования реакции поджиганием или сильным точечным нагревом. Далее реакция идет самопроизвольно. Затрата энергии на инициирование реакции не сопоставима с выделением энергии в ходе реакции. Рассмотрим четыре примера реакций горения, записав уравнения для 1 моля сжигаемого вещества:

Перед нами термохимические уравнения реакций сгорания водорода и трех углеводородов. В скобках после формул указано состояние веществ. Теплота записана подобно продукту химической реакции. Вторая реакция характеризует молярную теплоту сгорания обычного бытового газа метана. Пропан в третьей реакции тоже широко используется как топливо, так как он удобен для перевозки в жидком виде в баллонах. В четвертой реакции дана теплота сгорания изооктана, используемого в качестве эталона для оценки качества бензина. Молярные теплоты сгорания в написанной последовательности возрастают, так как в молекулах увеличивается число атомов. В скобках даны удельные теплоты сгорания, или теплотворная способность. Они получаются делением молярной теплоты сгорания на молярную массу вещества. Из этих данных следует, что самым эффективным топливом является водород.

К обычным реакциям горения близки реакции в некоторых твердых смесях восстановителя и окислителя: металлические опилки и порошок серы, уголь и селитра и г. д. При точечном нагревании в смеси начинается быстрая реакция, смесь раскаляется докрасна, образуются твердые и газообразные продукты сгорания:

Все реакции в приведенных примерах экзотермические, т. е. идут с выделением теплоты.

2. Многочисленные реакции в растворах протекают непосредственно при смешивании веществ, при этом не требуется нагревания или какого-то иного воздействия на раствор. Энергетические эффекты обнаруживаются только по изменению температуры. Например, при смешивании равных объемов растворов хлороводорода и гидроксида натрия с концентрациями 1 моль/л при 20 °C температура раствора повышается до 26 °C (рис. 9.1).

При постепенном остывании раствора до исходной температуры определенное количество теплоты выделяется в окружающую среду. Термохимическая реакция записывается с указанием состояния веществ буквами «aq» (в водном растворе; от лат. «aqua» — вода):

Рис. 9.1. Реакция нейтрализации сопровождается повышением температуры, после чего медленно выделяется теплота.

3. Реакции разложения. Любые вещества, включая и самые устойчивые, разлагаются при нагревании. В нарах воды заметное разложение на водород и кислород начинается при температуре выше 2000 °C. При 2000 °C разлагается около 1,8% воды. Разложение обратимо, и при понижении температуры снова образуется вода:

Это пример процесса, который не идет самопроизвольно, но по мере повышения температуры понемногу смещается в направлении поглощения теплоты. Знак минус в термохимическом уравнении перед числовым значением теплоты означает, что данная реакция эндотермическая, т. е. идет с поглощением теплоты. Практически водород и кислород в индивидуальном состоянии с помощью этой реакции не получают, так как они находятся в смеси и при охлаждении снова образуют воду.

Если подвергнуть термическому разложению карбонат кальция СаС0₃ (известняк), то можно получить известь СаО и углекислый газ, так как твердое вещество СаО остается в печи, а углекислый газ удаляется в атмосферу:

• 4. Среди химических реакций редко встречаются такие, которые идут с поглощением энергии без внешнего нагревания. Но все же к физикохимическим процессам такого типа относится растворение в воде кристаллогидратов солей и некоторых безводных солей. Если в 50 г воды внести приблизительно такую же массу нитрата аммония NH₄N0₃ и растворять при перемешивании, то температура понижается настолько, что стакан снаружи покрывается инеем. Полученный раствор поглощает теплоту из окружающей среды. Это пример самопроизвольного эндотермического процесса.
• 5. Есть реакции, которые могут идти только при затрате внешней энергии не в форме теплоты, а в форме электромагнитного излучения. Такие реакции называются фотохимическими. Образование глюкозы в листьях растений при поглощении солнечных лучей входит в комплекс факторов, обеспечивающих существование жизни на Земле в высших формах. С точки зрения энергетического баланса это процесс эндотермический:

Поглощаемая лучистая энергия эквивалентна 980 кДж теплоты. Приблизительно столько теплоты требуется для нагревания 3 л воды от комнатной температуры до кипения.

6. Многие реакции идут только при затрате электрической работы. Примером такого процесса является электролиз воды:

Эта реакция, на первый взгляд, отличается от термического разложения воды (см. выше) только тем, что вода берется в жидком состоянии. Но при электролизе водород и кислород образуются на электродах раздельно и могут быть собраны под давлением в баллонах в чистом виде. Кроме того, для электролиза не требуется повышать температуру нагреванием.

Мы рассмотрели некоторые типичные случаи взаимных связей химических реакций и превращений энергии. Далее предстоит объяснить наблюдаемые явления и научиться предсказывать возможность протекания реакций на основе термодинамики.