RÉSZ TÉMA: A rendszerek osztályozása és paraméterei, a kémiai reakciók hőhatása és entalpiája

RÉSZSÉG 2.
TÉMA 1. A rendszerek osztályozása és paraméterei, a kémiai reakciók hőhatása és entalpia.

A termokémia a kémiai reakciók hőhatásainak tudománya. A termokémiai feladatok megoldásához szükséges olyan fogalmak ismerete, mint a reakció hőhatása, az anyag standard képződési hőhatása, a kémiai vegyület égési hőhatása, Hess törvénye és annak következményei, a reakció spontán lefolyásának lehetősége, valamint a Gibbs-energia hőmérséklettől való függése. A kémiai energetika legfontosabb fogalma a kémiai reakció hőhatása. A hőhatásokról szóló adatok az anyagok szerkezetének és reakcióképességének meghatározására, az atomközi és molekulák közötti kötések energiájának kiszámítására alkalmazhatók, és technológiai, valamint műszaki számításokban is felhasználhatók. A termokémiai számítások alapját a reakcióegyenletekhez a hőmérséklet és nyomás állandóságát figyelembe vevő első termodinamikai törvény képezi. Lényege abban rejlik, hogy minden átalakulás során az energia nem keletkezik és nem vész el, hanem egyik formája átalakul a másik formájába. Az a hőmennyiség, amely a kémiai reakció során felszabadul (vagy elnyelődik), a reakció hőhatása Q (p állandó esetén QP, V állandó esetén QV) (kJ-ban mérve). A hőhatások alapján a kémiai reakciókat egzoterm (hőt felszabadító, +Q) és endoterm (hőt elnyelő, -Q) reakciókra osztják. Létezik egy mennyiség, amely ellentétes a hőhatással (ellenkező előjellel van feltüntetve). Ezt az anyag belső energiáját jellemző entalpiának nevezzük (∆H). Az entalpia változását kJ/mol-ban mérjük, vagyis azt a hőmennyiséget, amely felszabadul vagy elnyelődik, amikor 1 mol anyag keletkezik egyszerű anyagokból. Termodinamikai szempontból elfogadjuk, hogy a hőhatás állandó nyomáson és hőmérsékleten egyenlő az entalpia változásával (ΔH). Az energiát ezenkívül a reakciórendszer oldaláról vizsgáljuk. Ha a rendszer energiát adott át a környezetének, akkor a ΔH értéke negatív, ΔH < 0, ha a rendszer energiát kapott a környezetéből, akkor a ΔH pozitív, ΔH > 0. A reakció hőmennyiségének kiszámítása az abban részt vevő anyagok képződési hőjének alapján történik Hess törvénye alapján.

A Hess törvényének 1. következménye:
A kémiai reakció hőhatása egyenlő a reakció termékeinek képződési hőinek algebraikus összegével és az induló anyagok képződési hőinek algebraikus összegének különbségével.
Δr H0 298 = ∑(n j • Δf H0 298) term - ∑(n i • Δf H0 298) indul.
Ahol n j és n i a reakció termékeinek és az induló anyagok mennyiségét jelentik (amelyek számértéke egyenlő a reakcióegyenletben szereplő együtthatókkal), (mol).

A Hess törvényének 2. következménye:
A kémiai reakció hőhatása egyenlő az induló anyagok égési hőinek összegével mínusz a reakció termékeinek égési hőinek összegével.
Δr H0 298 = ∑(n i • Δc H0 298) - ∑(n j • Δc H0 298)
Ahol n i és n j az induló anyagok és termékek mennyiségei (amelyek számértéke egyenlő a reakcióegyenletben szereplő együtthatókkal), (mol).

A kémiai reakciók során a rendszer energiája és entrópiája is változhat, ezért a reakció abba az irányba megy végbe, ahol a reakció összes mozgásereje csökken. Ha a reakció állandó hőmérsékleten és nyomáson történik, akkor a reakció összes mozgáserejét Gibbs-energia (ΔG0) határozza meg, és a reakció irányát annak változása határozza meg.
A Gibbs-energia hőmérséklettől való függése a következő képlettel írható le:
ΔG0 T = ΔH0 T - TΔS0 T
Standard hőmérsékleten
ΔG0 298 = ΔH0 298 - TΔS0 298
ΔG0 298 – standard Gibbs-energia, a Gibbs-energia változása 1 mol anyag képződésekor az egyszerű anyagokból standard körülmények között (kJ/mol).
A standard Gibbs-energiát a Hess törvénye első következménye alapján számítják ki.
∆r G0 298 = ∑(n j Δf G0 298) term - ∑(n i Δf G0 298) indul.
ΔS0 298 – standard entrópia 1 mol anyagról standard körülmények között (J/K·mol). Az entrópiát a rendszer rendezetlenségének (nem rendezettségének) mérőeszközeként jellemezhetjük. Ez a mennyiség a rendszer hőmérsékletének változását jellemzi.
Mivel az entrópia a rendszer állapotfüggvénye, annak változása (ΔS) a kémiai reakció során kiszámítható a Hess törvénye következményei alapján.
Δr S0 298 = ∑(n j Δf S0 298) term - ∑(n i Δf S0 298) indul