Химическая потенциальная энергия представляет собой форму потенциальной энергии, связанной со структурным расположением атомов или молекул. Химическая энергия вещества может быть превращена в другие формы энергии химической реакцией.
Процессы вычисления такой химической энергии называются термохимическими расчетами.
Энтальпия
Тепловой эффект реакции или энергия, которая может выделяться (или поглощаться) из-за реакции между набором химических веществ, равна разнице между энергетическим содержанием продуктов и реагентов, если исходная и конечная температуры одинаковы.
Это изменение энергии можно оценить по энергии связи различных химических связей в реагентах и продуктах. Его также можно вычислить из разницы внутренней энергии образования молекул реагента и внутренней энергии образования молекул продукта. Внутреннее изменение энергии химического процесса равно теплообмену, если оно измеряется в условиях постоянного объема и равной начальной и конечной температуры, как в закрытом контейнере, таком как калориметр. Однако в условиях действия постоянного давления, как и в реакциях, проводимых в открытых сосудах (в атмосфере), измеренное изменение тепла не всегда равно внутреннему изменению энергии, поскольку работа по изменению объема и давления также высвобождает или поглощает энергию.
Изменение тепла при постоянном давлении называется изменением энтальпии, в этом случае энтальпией реакции, если начальная и конечная температуры равны.
Теплота сгорания
Другим полезным показателем является теплота сгорания, которая представляет собой энергию, высвобождаемую из-за реакции горения. Теплота сгорания часто применяемых при изучении различных топлив. Пища похожа на углеводородное и углеводное топливо, а когда она окисляется до углекислого газа и воды, выделяемая энергия аналогична теплоте сгорания (хотя и не оценивается так же, как углеводородное топливо).
Экзотермические и эндотермические реакции
Экзотермические и эндотермические реакции различают именно по их тепловыми эффектами. Например, сгорание угля, нейтрализация кислот щелочами, сочетание цинка с серой сопровождаются выделением значительного количества тепловой энергии. Такие реакции называют экзотермическими. «Экзо» (греч.) означает «наружу». К экзотермическим относятся все реакции горения. В реакциях данного типа при помощи термохимических расчетов вычисляют показатель выделившейся энергии.
Экзотермическая реакция: реагенты → продукты + тепловая энергия.
Ход реакций термического разложения кальций карбоната, калий перманганата, малахита требует непрерывного поступления тепловой энергии извне. При отсутствии нагрева эти реакции немедленно прекращаются, их называют эндотермическими. В реакциях данного типа при помощи термохимических расчетов вычисляют показатель энергии, требуемой для поддержания хода реакции.
Эндотермические реакции: реагенты + тепловая энергия → продукты.
Термохимическое уравнение
Уравнение химической реакции, в котором отмечают агрегатные состояния веществ и для которого приводят числовое значение теплового эффекта.
Пример 1
Термохимическое уравнение реакции горения метана – главной составляющей природного газа – следующее:
СН4 (г) +2О2 (г) = СО2 (г) + 2Н2О (ж);
H = -890 кДж,
где (г) – газ, (ж) – жидкость. Твердое вещество обозначают (т).
Тепловой эффект соответствует тому количеству метана, которое определено уравнением реакции – в данном случае 1 моль.
Пример 2
Тепловой эффект неполного сгорания графита указан для вещества количеством 2 моль:
2С (графит) + О2 (г) = 2СО (г);
H = -221 кДж.
Если агрегатные состояния участников реакции очевидны и не требуют уточнений, то эти сведения в термохимической уравнении можно не указывать. Также встречаются и упрощенные записи термохимических уравнений:
СН4 +2О2 = СО2 + 2Н2О; H <0
По ним можно классифицировать химические реакции на экзо- и эндотермические, но они не дают представления о числовом значении теплового эффекта.
Значение тепловых эффектов, которыми сопровождаются химические реакции, трудно переоценить. Экзотермические реакции используют в промышленности и быту для выработки энергии, получения высокотемпературного пламени, добычи металлов. Например, в реакции железа (III) оксида с алюминием, так называемый термитный процесс:
Fe2О3 + 2А1 = 2Fe + Al2О3; H <0
Вследствие выделения большого количества тепловой энергии температура достигает 2400°С, поэтому железо плавится.
На эндотермических процессах основываются промышленные и лабораторные способы получения неорганических и органических соединений, их используют в лабораторной практике, быту, медицине для быстрого охлаждения.
Научная статья по химии на заказ от проверенных экспертов по низкой цене!
Комментарии