Термохимия: енергия, топлина и термодинамика на химичните реакции

Термохимия: разбиране на енергията, топлината и термодинамиката в химичните реакции — енталпия, ентропия, спонтанност и точни изчисления за реакции и преобразувания.

Термохимията е наука за енергията и топлината, свързани с химичните реакции и физичните преобразувания (физични промени). Физичните трансформации са, когато едно състояние на материята (например твърдо или течно) се променя в друго. Примери за преобразувания са топенето (когато твърдо вещество се превръща в течност) и кипенето (когато течност се превръща в газ).

Реакцията отдава или приема енергия. Физическата трансформация също отдава или приема енергия. Термохимията разглежда тези енергийни промени, по-специално енергийния обмен на дадена система със заобикалящата я среда. Термохимията е полезна за прогнозиране на количествата на реагентите и продуктите по всяко време на дадена реакция. Термохимиците правят това, като използват данни, включително определяне на ентропията. Термохимиците ще кажат дали дадена реакция е спонтанна или неспонтанна, благоприятна или неблагоприятна.

При ендотермичните реакции се отделя топлина. При екзотермичните реакции се отделя топлина. Термохимията съчетава понятията на термодинамиката с идеята за енергията под формата на химични връзки. Тя включва изчисления на такива величини като топлинен капацитет, топлина на горене, топлина на образуване, енталпия, ентропия, свободна енергия и калории.

Забележка за ендотермични и екзотермични процеси

Важно: въпреки че горният текст съдържа вътрешни връзки, които могат да изглеждат объркващо, правилните определения са следните: при ендотермичните процеси системата абсорбира топлина от околната среда (q > 0), а при екзотермичните процеси системата отдава топлина към околната среда (q < 0). Примери: стопяване на лед е ендотермичен процес; горенето на дърво е екзотермичен процес.

Основни понятия

• Система и заобикаляща среда: системата е частта от вселената, която изучаваме; всичко останало е заобикаляща среда.
• Видове системи: отворена (обменя вещество и енергия), затворена (обменя енергия, но не вещество), изолирана (не обменя нито енергия, нито вещество).
• Топлина (q) и работа (w): два начина за пренос на енергия между система и околност. По дефиниция положителна q означава топлина, приета от системата.
• Първи закон на термодинамиката: ΔU = q + w, където ΔU е промяната на вътрешната енергия на системата.
• Енталпия (H): H = U + pV; при постоянен натиск промяната на енталпията ΔH е равна на топлината, обменена с околната среда: q_p = ΔH.

Енталпия, ентропия и свободна енергия

Енталпия (ΔH) описва топлинния ефект при реакция при постоянен натиск. Стандартната енталпия на образуване (ΔHf°) се използва за пресмятане на енталпийни промени на реакции чрез уравнение: ΔH°_реакция = ΣΔHf°(продукти) − ΣΔHf°(реагенти).

Ентропия (ΔS) е мярка за степента на разпределение на енергията и "разреденост" на системата. Вторият закон гласи, че сумарната промяна на ентропията на вселената (система + околност) при спонтанен процес е положителна: ΔS_univ = ΔS_sys + ΔS_surr > 0.

Гибсова свободна енергия (ΔG) свързва енталпията и ентропията: ΔG = ΔH − TΔS. При дадена температура T процесът е спонтанен, ако ΔG < 0; когато ΔG = 0 — системата е в равновесие.

Термохимични изчисления и принципи

• Функции на състоянието и пътни функции: ΔH, ΔU, ΔS са функции на състоянието — зависят само от началното и крайното състояние, не от пътя. Топлината и работата сами по себе си са пътни функции.
• Закон на Хес: енталпийният ефект на цяла реакция е сбор от енталпийните ефекти на стъпките, от които е сглобена реакцията. Това позволява изчисления чрез стандартни енталпии на образуване или чрез таблични стойности.
• Стандартни условия: често се използва стандартна температура 298,15 K (25 °C) и налягане 1 bar; стойностите обозначаваме със знак °, напр. ΔH°f.

Калориметрия — как се измерва топлината

Калориметрията е експериментален метод за измерване на количеството топлина, обменяно при химични реакции или физични промени.

• Постоянно налягане (coffee‑cup) калориметър: използва се за реакциите в разтвор при атмосферно налягане; измерва се ΔT и q_p = m c ΔT, където m е масата на разтвора, c — специфичната топлина.
• Бомов калориметър (постоянен обем): използва се за измерване на топлината на горене; при постоянен обем q_v = ΔU (не ΔH), но от резултатите може да се пресметне ΔH при познато pΔV.

Формула за топлинна промяна: q = m c ΔT. Специфична топлина c е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на единица маса с 1 °C. Моларният топлинен капацитет C_m е топлинният капацитет за 1 мол.

Единици и практични бележки

• Основната SI единица за енергия е джоул (J). Често срещана историческа единица е калорията (cal): 1 cal = 4.184 J.
• Топлинните ефекти на реакции са пропорционални на количеството вещество — винаги посочвайте за какво количество реагенти продуктите са дадени (например per mol реакция).
• В практическите изчисления в термохимията е важно да се следят знаците: положително ΔH означава, че системата е погълнала топлина (ендотермичен), отрицателно ΔH — отделила е топлина (екзотермичен).

Примери и приложения

• Изчисляване на топлина на горене за горива (полезно в енергетиката и инженерството).
• Оценка на спонтанността на реакции в химична синтеза чрез ΔG и ΔS (важно за катализа, биохимия и материалознание).
• Определяне на термодинамични свойства чрез калориметрични експерименти (лабораторни упражнения и промишлен контрол).

Термохимията свързва практическите измервания (калориметрия) с фундаменталните закони на термодинамиката, което позволява да се предвижда и контролира енергията при химични и физични промени — от лабораторни реакции до промишлени процеси и биологични системи.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява термохимията?

В: Какви са някои примери за физични преобразувания?

В: Как термохимията помага да се предскажат количествата на реагентите и продуктите?

В: Ендотермичните реакции благоприятни или неблагоприятни са?

В: Екзотермичните реакции благоприятни или неблагоприятни са?

В: Какви понятия съчетава термохимията?

В: Какви видове изчисления правят термохимиците?

Търсене по буква