по теме: тепловой эффект (стр. 3 из 4)

Теплота сгорания — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (Дж или кал на 1 кг, м³ или моль).

Таким образом, пользуясь табличными значениями теплот образования или сгорания веществ, можно рассчитать теплоту реакции, не прибегая к эксперименту. Табличные величины теплот образования и сгорания веществ обычно относятся к т.н. стандартным условиям.

Стандартные условия – стандартные физические условия, определяемые давлением 101325 Па (760 мм рт.ст.) и абсолютной температурой 273.15 К, при которых объем 1 моль идеального газа равен 0.022414 м³.

Для расчёта теплоты процесса, протекающего при иных условиях, необходимо использовать и другие законы термохимии, например, закон Кирхгофа, описывающий зависимость теплового эффекта реакции от температуры.

Если начальное и конечное состояния химической реакции (реакций) совпадают, то ее (их) тепловой эффект равен нулю.

Важность закона Гесса состоит в том, что можно просчитать тепловой эффект практически любой химической реакции, несмотря на то, как протекает реакция.

§2. Экспериментальное определение теплового эффекта

Знание теплового эффекта позволяет рассчитать теплоту любой реакции, даже совершенно невозможной. Так, алмаз при обычных условиях никогда не превращается в графит, но тепловой эффект этой реакции нам известен, он составляет 1,9 кДж/моль. Для расчета теплового эффекта достаточно знать энергии реагентов и продуктов, а проводить эксперимент совершенно необязательно. [16]

На основании законов термодинамики, для измерения теплового эффекта вещества был создан специальный прибор – калориметр.

Калориметр (от лат. calor — тепло и ...метр), прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «Калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом (1780).[17]

Схема устройства простейшего калориметра:

1 - внешний сосуд;

2 - термометр;

3 - калориметрический стакан;

4 - мешалка;

5 - вода;

6 - пробирка с веществом, закрытая пробкой.[18]

В данном калориметре идет реакция гидролиза, т. е. растворения соли в воде и реакции обмена между ними.

Изменение теплоты веществ, находящихся внутри реактора, повышает или понижает его температуру. Все изменения температуры регистрируются с помощьютермометра. Простейший калориметр – это сосуд с калориметрической жидкостью, помещенной в оболочку с малой теплопроводностью. Зная теплоемкость калориметра и точно измерив изменение температуры жидкости, можно узнать теплоту процесса, проходящего в калориметре. (При этом важно, чтобы теплота передавалась калориметру или отнималась от него очень быстро, а также учитывать возможность теплообмена с окружающей средой).

Калориметры бывают 2 типов:

1. С постоянной температурой.

Оболочка состоит из плавящегося твердого тела или испаряющегося жидкого. Температура остается постоянной, так как вся выделившаяся или поглощенная теплота идет на изменение АС вещества. В таком случае о тепловом эффекте судят по количеству изменившего свое состояние вещества. Такие калориметры обычно используются, если реакция экзотермическая.

1. С переменной температурой.

Существует два вида таких калориметров:

• Адиабатический. Во время протекания реакции температуру изменяют так, чтобы она постоянно совпадала с температурой реактора. Тогда изменения температуры не происходит, значит, систему можно считать изолированной.
• Диатермический. Закрытая система реактора обменивается теплотой с оболочкой, а в оболочке содержится много воды (вода обладает большой теплоемкостью, поэтому ее температура почти не изменяется). В таком случае теплообмен рассчитывается специальными методами.

Именно калориметры последнего типа используются в большинстве реакций со значительным тепловым эффектом. В случае если нужно измерить Q реакции горения, используют калометрическую бомбу, предложенную М. Бертло.

В калометрической бомбе испытуемое соединение сгорает в кислороде при постоянном объеме, под высоким давлением около 20-30 атмосфер. В таком случае происходит полное сгорание вещества.

Калометрическая бомба состоит из толстостенного цилиндра с помещенной внутрь него чашечкой с веществом, над которой помещают тонкую железную проволочную спираль. По спирали пропускают ток, она сгорает, раскаленная окалина поджигает вещество. При известных H сгорания исходных веществ, рассчитать Q реакции сравнительно легко.

Для учета теплообмена калориметра с окружающей средой и определения истинного изменения температуры во время опыта весь калориметрический процесс делятся на три периода:

• предварительный период, продолжающийся 5 мин;
• главный период - время протекания изучаемого процесса, то есть период, в течение которого будет идти реакция;
• заключительный период, продолжающийся 5 мин.

Очень важно помнить о возможных ошибках и неточностях расчета, связанных в основном с теплообменом с окружающей средой. Во избежание ошибок, нужно проводить реакции как можно быстрее и поддерживать постоянную температуру воздуха в лаборатории.

§3. Применение теплового эффекта на практике

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов.

Зная тепловой эффект и законы термохимии, можно рассчитать, будет ли протекать реакция, не ставя практических экспериментов.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке банки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".

Химические «грелки» и охлаждающие пакеты

Известно несколько видов «обыкновенных химических грелок».

Устройство их очень простое: обычно это два пакета (маленький и большой) из водонепроницаемого и химически стойкого материала (пленки, ткани). Внутри маленького пакета — вещество или смесь веществ. Чтобы грелка начала работать, сюда надо добавить немного воды и перемешать содержимое пакета. Потом пакет закрывают, вставляют в большой и еще раз тщательно закупоривают; теперь грелкой можно пользоваться. Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция СаО (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция:

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q.

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70—80° С. В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей.

Совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (А1) стружки с солями меди (например, СuС1₂) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100°С за счет реакции:

Fe + CuCl₂ = FeCl₂ + Cu.

При этом грелка, в которой хлорид меди СuС1₂ превращается в хлорид железа FeCl₂, сохраняет тепло около десяти часов.

Примерно по тому же принципу работают противоположные грелкам устройства – гипотермические, или охлаждающие, пакеты. Их главное отличие от грелок состоит в том, что в них происходят эндотермические реакции.

В гипотермических пакетах происходит гидролиз аммиачной селитры (NH₄NO₃), происходящий с поглощением тепла. Принцип действия охлаждающего пакета прост: если раздавить ампулу с водой внутри пакета, вода вступает в химическую реакцию с аммиачной селитрой, поглощая энергию из окружающей среды, т.е. охлаждая её.

NH₄NO₃ + H₂O = NH₄OH + HNO₃ - 23.1кДж/моль[19]

Гипотермические пакеты широко используются в медицине и в быту.

Жаропрочные покрытия

Развитие техники высоких температур вызывает необходимость создания особо жаропрочных материалов. Эта задача может быть решена путём использования тугоплавких и жаропрочных металлов. Интерметаллические покрытия привлекают всё большее внимание, поскольку обладают многими ценными качествами: стойкостью к окислению, агрессивными расплавами, жаропрочностью и т.д. Интерес представляет и существенная экзотермичность образования этих соединений из составляющих их элементов. Возможны два способа использования экзотермичности реакции образования интерметаллидов. Первый – получение композитных, двухслойных порошков. При нагреве компоненты порошка вступают во взаимодействие, и тепло экзотермической реакции компенсируют остывание частиц, достигающих защищаемой поверхности в полностью расплавленном состоянии и образующих малопористое прочно сцеплённое с основой покрытие. Другим вариантом может быть нанесение механической смеси порошков. При достаточном нагреве частиц они вступают во взаимодействие уже в слое покрытие. Если величина теплового эффекта значительная, то это может привести к самопроплавлению слоя покрытия, образованию промежуточного диффузионного слоя, повышающего прочность сцепления, получения плотной, малопористой структуры покрытия. При выборе композиции, образующей интерметаллидное покрытие с большим тепловым эффектом и обладающее многими ценными качествами – коррозионной стойкостью, достаточной жаропрочностью и износостойкостью, обращает на себя внимание алюминиды никеля, в частности NiAl и Ni₃Al. Образование NiAl сопровождается максимальным тепловым эффектом.