4.4. Применение первого закона термодинамики

к химическим процессам

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Потенциальная энергия, скрытая в химических связях, и кинетическая энергия (поступательного и других видов движения атомов и молекул) изменяются в ходе химической реакции.

Химическая реакция как система получает энергию извне на разрыв химических связей исходных реагентов и выделяет энергию в окружающую среду при образовании новых химических связей в молекулах – продуктах реакции (табл. 3).

Представим энергетические изменения на примере горения водорода в кислороде (рис. 43).

Рис. 43. Модель превращения потенциальной энергии, скрытой в химических связях, в кинетическую энергию на примере появления интенсивного колебательного движения молекул – продуктов реакции

При образовании новых химических связей энергия выделяется. Это кинетическая энергия движения молекул – продуктов реакции. Часть внутренней энергии, которая была скрыта в химических связях молекул водорода и кислорода, превратилась в энергию поступательного и других видов движения молекул воды:

Н =2(+436)+498.4 + 2(427,8) +2(498.7) = 482,6 кДж.

Величина Н = 482,6 кДж эквивалентна энергии движущихся молекул воды. Именно эта кинетическая энергия определяет рост температуры в процессе горения водорода в среде кислорода.

Т а б л и ц а 3

Энергии связей некоторых двух- и трехатомных молекул

Молекула	Разрываемая связь	Образующиеся частицы	Энергия связи Е, кДж/моль
Н2	H–H	H + H	436
F2	F–F	F + F	159
HF	H–F	H + F	568,5
H2O	H–OH	H + OH	498,7
OH	O–H	O + H	427,8
O2	O=O	O + O	498,4
CO2	O=CO	O + CO	532,2
CO	CO	C + O	1076,4
N2	NN	N + N	945,3
NO	N=O	N + O	632

Термохимические расчеты

Различают экзо- и эндотермические реакции. Химические реакции, сопровождающиеся выделением или поглощением энергии в форме теплоты, называются соответственно экзотермическими и эндотермическими реакциями. Энтальпия реакции равна количеству энергии в форме теплоты, выделяющейся или поглощающейся в результате химического процесса при постоянных р = 1 атм и температуре Т.

Пример. Чему равна энтальпия реакции образования фтороводорода, если известны энергии связей исходных веществ и продукта реакции.

Решение

Энтальпия Н реакции вычисляется по термохимическому уравнению:

H₂(г) + F₂(г) = 2HF(г); Н=?

Форма уравнения химической реакции, указывающая агрегатные состояния участников процесса и его энтальпию, называется термохимическим уравнением.

Для разрыва химических связей в молекулах Н₂ и F₂ требуется затратить (согласно табл. 3) 436 и 159 кДж энергии соответственно. Это эндотермический процесс. Значения энергии берутся со знаком (+).

При образовании химических связей в молекулах НF выделяется энергия. Это экзотермический процесс. Перед значениями энергии связи ставится знак ( ) (568,5 кДж).

Н= Е(Н  Н) + Е(F  F) +2Е(Н  F)

Н= [436 +159] +2 [568,5] =  542кДж.

Образование двух молекул НF приводит к выделению 542 кДж энергии. Реакция экзотермическая.

Пример. Оксид азота NO образуется при грозовых электрических разрядах в облаках. Чему равна энтальпия реакции окисления 84 г азота атмосферным кислородом?