Тепловой эффект реакции

Энергия — общая количественная мера различных форм движения. Наша природа и человек существуют за счет самой мощной для Земли ядерной энергии Солнца. На квадратный метр земной поверхности Солнце поставляет около киловатта энергии, и ежегодно на поверхность Земли — около 110¹⁸Вт-ч энергии, что во много тысяч раз больше того, что потребляет человечество. Солнечная энергия преобразуется на Земле в тепловую, электромагнитную, гравитационную, ядерную и другие формы.

В последнее время для получения энергии повышается значение ветряных и приливных станций, солнечных батарей, источников горячей воды из земной коры.

Ветродвигатели используют энергию ветра, но их использование ограничено скоростными режимами ветров и необходимостью больших открытых поверхностей. Скорость ветров колеблется в зависимости от времени суток и сезона года (весна, лето, осень, зима), что создает неудобства в использовании энергии ветра.

В 1806 г. английский военный гидрограф и картограф контр-адмирал Френсис Бофорт (1774—1857) предложил условную 12−6алльную шкалу, названную впоследствии его именем, для оценки силы ветра по его действию на поверхность суши и океана. Например: 0 баллов — безветрие, штиль или очень слабый ветер со скоростью до 0,5 м/с, 4 — умеренный ветер, 6 — сильный ветер, 10 — буря или шторм (более 20 м/с), 12 — ураган (свыше 35 м/с).

При шторме разрушаются постройки на суше и на море наблюдается сильное волнение. Обычно шторм наблюдается при прохождении циклона, области пониженного давления с минимумом в центре с поперечником в несколько километров. В Северном полушарии ветер циклона дует против часовой стрелки. Часто циклоны образуются при пасмурной погоде.

Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Приливы происходят благодаря периодическим колебаниям уровня моря, вызванным притяжением Луны и Солнца. Обычно прилив и отлив совершаются два раза в сутки. Прилив в океане составляет около 1 м, но в заливе Фанди в Атлантическом океане достигает 18 м. В России приливная станция работает в губе Кислой на Баренцевом море.

Гидроэлектростанция преобразует энергию потока воды в электрическую. Реки для подъема уровня воды перегораживают плотинами. Падающая вода поступает в турбину, вращающую электрический генератор. Красноярское водохранилище вблизи Красноярска создано плотиной на реке Енисей. Оно заполнилось за 1967—1970 гг. и имеет длину 388 км, площадь 2000 км² и объем воды 73,3 км³. Мощность ГЭС составляет 6 ГВт. В последние годы обсуждается целесообразность гидроэлектростанций, но слив воды из водохранилищ грозит опаснейшими экологическими последствиям (гниение слоя накопившегося па дне ила с выделением ядовитых веществ).

Гелиоустановки преобразуют энергию солнечной радиации в тепловую или электрическую. Солнечная батарея состоит из полупроводниковых фотоэлементов, источники тока которых состоят из Si, GaAs и других веществ. Напряжение достигает нескольких десятков вольт, мощность — десятков киловатт, но КПД в настоящее время не превышает 30%.

Потребление энергии человеком удваивается каждые 12—15 лет. В будущем можно ожидать еще большего ускорения. Природные источники энергии, нефть, уголь и газ — эго законсервированная энергия Солнца.

В зависимости от уровня проявления можно выделить следующие виды энергии:

• • энергию макромира — гравитационную (которую мы постоянно ощущаем, но ничего не знаем о ее происхождении);
• • энергию взаимодействия тел — механическую (проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц);
• • энергию молекулярных взаимодействий — тепловую (энергия неупорядоченного хаотического движения и взаимодействия молекул веществ);
• • энергию атомных взаимодействий — химическую (энергия химических реакций с участием электронов и протонов);
• • энергию излучения — электромагнитную (энергия электромагнитных волн, т. е. движущихся электрического и магнитного полей);
• • энергию, заключенную в ядрах атомов — ядерную (локализованная в ядрах атомов, ее раньше называли атомной энергией, но это название неточно).

Современная наука не исключает существование и других видов энергии.

Теплота — это количество энергии, которое получает или отдает система при обмене с другой системой или окружающей средой.

Количество теплоты, требующееся для повышения температуры 1 мл воды на 1 градус, принято равным 1 калории. Калория является внесистемной единицей теплоты. В системе единиц СИ основной единицей количества теплоты, энергии и работы является джоуль, 1 кал = 4,184 Дж.

Теплоемкость — количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 градус. Удельная теплоемкость воды равна 1 (кал/(мл-градус)). (В-2−5. Рассчитайте удельную теплоемкость воды в джоулях.).

Количество теплоты, сообщаемое объекту, равно произведению теплоемкости объекта па изменение его температуры.

Рассчитаем, сколько теплоты потребуется для нагревания 1 л воды от 20 до 100 °C. 1 л (1000 мл) воды нагревают на 100 — 20 = 80 °C. На это потребуется 1 кал/(мл-°С)-1000 мл-80°С) = 80 000 кал, или 80 ккал, или 80 -4,184 = 335 кДж теплоты.

В химии пользуются мольной теплоемкостью, равной количеству теплоты, требуемой на нагрев 1 моля вещества на 1 градус. Масса 1 моля жидкой воды равна 18 г. Следовательно, л/олънш/ теплоемкость воды составляет 18 калДК-моль), или 75 ДжДК-моль). (В-2−6. Почему теплоемкости различных веществ различны?) (В-2−7. Как изменяется (больше, меньше) теплоемкость газа, жидкости и кристалла?).

Опустим кусочек цинка в пробирку с раствором хлороводородной кислоты НС1. (В-2−8. Почему не серной или азотной кислоты?) Мы увидим, что выделяются пузырьки водорода, а прикоснувшись к пробирке рукой, почувствуем, что пробирка нагрелась. Следовательно химическая реакция производит работу Л над окружающей средой и выделяет теплоту Q.

Zn + 2Н_ _n = Zn*⁺_n + Н_9г + А + О

к р-р р-р 2г ^.

Определим количества работы и теплоты. В научных исследованиях обычно находят значение искомой величины при изменении одного фактора, пренебрегая другими или делая их постоянными. В данном случае можно экспериментально узнать тепловой эффект реакции без совершения работы, но установить количество работы реакции без теплового эффекта невозможно. Поэтому определим тепловой эффект реакции в двух экспериментах — без совершения работы и с совершением работы.

Чтобы реакция не совершала работу, ее следует проводить при постоянном объеме — V= пост. Возьмем, но 1 молю цинка и раствора с избытком кислоты, который нальем в стеклянный стаканчик и поставим его на дно цилиндра. К поршню подвесим кусочек цинка так, чтобы его можно было сбросить в раствор кислоты. Между стенками цилиндра и поршня вставим запоры, которые не позволят поршню передвигаться при повышении давления, таким образом, реакция будет проходить при постоянном объеме.

Для измерения теплового эффекта реакции цилиндр поместим в сосуд с известным количеством воды — калориметр. Наружные стенки калориметрического сосуда покроем изолирующим слоем, чтобы приблизить реагирующую систему к изолированной. В воду опустим термометр. Схема эксперимента показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема калориметрического опыта при проведении реакции при постоянном объеме

Измерим температуру воды до начала опыта (?,). Опустим цинк в кислоту. Выделяющаяся при реакции теплота повысит температуру воды в калориметре. Измерим температуру воды после окончания реакции (t₂). Зная количество воды т и теплоемкость воды с, легко подсчитать количество теплоты q, сообщенное воде:

Это количество теплоты Оудет соответствовать теплоте, выделившейся в реакции между взятыми количествами цинка и кислоты (с учетом поправок на теплообмен калориметра с окружающей средой). Пересчитаем это количество теплоты на 1 моль цинка и получим тепловой эффект реакции при постоянном объеме Q_v. Запишем термохимическое гтавнение пеакнии:

Тепловой эффект, измеренный при постоянном объеме (Q_v), называется изохорным тепловым эффектом. Для изучаемой реакции он равен 165,7 кДж на 1 моль цинка.

За счет чего выделилась теплота? Если система не произвела работу (V= пост), то, очевидно, система перешла из исходного состояния с более высоким содержанием энергии в конечное с меньшим содержанием энергии.

В каждом веществе заключена энергия, которая называется внутренней энергией. Ее количество зависит от количества вещества, его состава и состояния. Внутренняя энергия системы включает ряд различных видов энергии, в том числе энергию поступательного, вращательного и колебательного движений молекул, энергию связи между молекулами, энергию, зависящую от распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням в атомных и молекульных орбиталях, энергию связи ядерных частиц в ядре и другие виды энергии, еще пока неизвестные нам. Во внутреннюю энергию не входят кинетическая энергия системы и ее потенциальная энергия положения в поле тяготения.

При взаимодействии цинка с кислотой теплота выделилась за счет изменения содержания внутренней энергии U реагирующих веществ при ее переходе из начального состояния 1 в конечное 2:

Принято из величины, характеризующей конечное состояние системы 2, вычитать величину, характеризующую ее начальное состояние 1. Так как в опыте теплота выделилась, запас внутренней энергии реагентов С/, был выше запаса внутренней энергии продуктов U₂ реакции. Поэтому разность U₂ — f/₁ отрицательна, но тепловой эффект реакции положителен. Так как реакция проходила без совершения ею работы, численно изменение внутренней энергии равно изохорному тепловому эффекту реакции, но с противоположным знаком: