МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Теоретические основы прогрессивной технологии»
Тема: «Тепловой эффект химической реакции и его практическое
применение.»
Воронеж 2004
Содержание
Введение …………………………………………………………………… 3
1. Тепловой эффект химической реакции………………………………… 4
1.1. Уравнения химических реакций……………………………… 8
1.2. Основные законы термохимии………………………………. 10
2. Применение теплового эффекта на практике…………………………. 12
2.1.Жаропрочные покрытия………………………………………. 1
2.2.Термохимический способ обработки алмаза………………… 14
2.3.Техногенное сырьё для производства цемента……………… 15
2.4. Биосенсоры……………………………………………………. 16
Заключение…………………………………………………………………. 17
Список литературы………………………………………………………… 18
Введение
Тепловые эффекты химических реакций необходимы для многих технических
расчетов. Они находят обширное применение во многих отраслях
промышленности, а также в военных разработках.
Целью данной курсовой работы является изучение практического применения
теплового эффекта. Мы рассмотрим некоторые варианты его использования, и
выясним насколько важно использование тепловых эффектов химических
реакций в условиях развития современных технологий.
1. Тепловой эффект химической реакции
В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим
свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином,
так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию
самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В
организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на
поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.
Одним из самых известных ученых, работающих в области термохимии,
является Бертло. Бертло- профессор химии Высшей фармацевтической школы в
Париже (1859г). Министр просвещения и иностранных дел.
Начиная с 1865 Бертло активно занимался термохимией, провел обширные
калориметрические исследования, приведшие, в частности, к изобретению
“калориметрической бомбы” (1881); ему принадлежат понятия
“экзотермической” и “эндотермической” реакций. Бертло получены обширные
данные о тепловых эффектах огромного числа реакций, о теплоте разложения
и образования многих веществ.
Бертло исследовал действие взрывчатых веществ: температуру взрыва,
скорости сгорания и распространения взрывной волны и др.
Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических
связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется затратить
энергию. Когда химическая связь образуется, энергия выделяется.
Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и
образовании других.
Когда в результате химической реакции при образовании новых связей
выделяется энергии больше, чем потребовалось для разрушения “старых”
связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде
тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ
(метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества
теплоты (рис. 1а). Такие реакции являются экзотермическими.
Реакции, протекающие с выделением теплоты, проявляют положительный
тепловой эффект (Q>0, DH0), т.е. с отрицательным тепловым эффектом, являются
эндотермическими.
Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из
угля и воды, которое происходит только при нагревании (рис. 1б).
Рис. 1а
Рис. 1б
Рис. 1а,б. Изображение химических реакций при помощи моделей молекул: а)
экзотермическая реакция, б) эндотермическая реакция. Модели наглядно
показывают, как при неизменном числе атомов между ними разрушаются
старые и возникают новые химические связи.
Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или
поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в
виде теплоты (реже – в виде световой или механической энергии). Эту
теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж)
для одного моля реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая
величина называется тепловым эффектом реакции.
Тепловой эффект – количество теплоты, выделившееся или поглощенное
химической системой при протекании в ней химической реакции.
Тепловой эффект обозначается символами Q или DH (Q = -DH). Его величина
соответствует разности между энергиями исходного и конечного состояний
реакции:
DH = Hкон.- Hисх. = Eкон.- Eисх.
Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ.
Встречаются также обозначения (тв) или (к) – твердое, кристаллическое
вещество, (водн) – растворенное в воде вещество и т.д.
Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение.
Например, в реакции сгорания водорода первоначально образуется вода в
виде пара (газообразное состояние), при конденсации которого может
выделиться еще некоторое количество энергии. Следовательно, для
образования воды в виде жидкости измеренный тепловой эффект реакции
будет несколько больше, чем для образования только пара, поскольку при
конденсации пара выделится еще порция теплоты.
Используется также частный случай теплового эффекта реакции – теплота
сгорания. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит для
характеристики вещества, применяемого в качестве топлива. Теплоту
сгорания относят к 1 молю вещества, являющегося топливом
(восстановителем в реакции окисления), например:
C2H2 + 2,5 O2 = 2 CO2 + H2O + 1300 кДж
ацетилен теплота сгорания ацетилена
Запасенную в молекулах энергию (Е) можно отложить на энергетической
шкале. В этом случае тепловой эффект реакции (? Е) можно показать
графически (рис. 2).
Рис. 2. Графическое изображение теплового эффекта (Q = ? Е): а)
экзотермической реакции горения водорода; б) эндотермической реакции
разложения воды под действием электрического тока. Координату реакции
(горизонтальную ось графика) можно рассматривать, например, как степень
превращения веществ (100% – полное превращение исходных веществ).
1.1. Уравнения химических реакций
Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами
записан и тепловой эффект реакции, называются термохимическими
уравнениями.
Особенность термохимических уравнений заключается в том, что при работе
с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из
одной части уравнения в другую. С обычными уравнениями химических
реакций так поступать, как правило, нельзя.
Допускается также почленное сложение и вычитание термохимических
уравнений. Это бывает нужно для определения тепловых эффектов реакций,
которые трудно или невозможно измерить в опыте.
Приведем пример. В лаборатории чрезвычайно трудно осуществить “в чистом
виде” реакцию получения метана СH4 путем прямого соединения углерода с
водородом:
С + 2 H2 = СH4
Но можно многое узнать об этой реакции с помощью вычислений. Например,
выяснить, будет эта реакция экзо- или эндотермической, и даже
количественно рассчитать величину теплового эффекта.
Известны тепловые эффекты реакций горения метана, углерода и водорода
(эти реакции идут легко):
а) СH4(г) + 2 O2(г) = СO2(г) + 2 H2О(ж) + 890 кДж
б) С(тв) + O2(г) = СO2(г) + 394 кДж
в) 2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 572 кДж
Вычтем два последних уравнения (б) и (в) из уравнения (а). Левые части
уравнений будем вычитать из левой, правые – из правой. При этом
сократятся все молекулы O2, СO2 и H2О. Получим:
СH4(г) – С(тв) – 2 H2(г) = (890 – 394 – 572) кДж = -76 кДж
Это уравнение выглядит несколько непривычно. Умножим обе части уравнения
на (-1) и перенесем CH4 в правую часть с обратным знаком. Получим нужное
нам уравнение образования метана из угля и водорода:
С(тв) + 2 H2(г) = CH4(г) + 76 кДж/моль
Итак, наши расчеты показали, что тепловой эффект образования метана из
углерода и водорода составляет 76 кДж (на моль метана), причем этот
процесс должен быть экзотермическим (энергия в этой реакции будет
выделяться).
Важно обращать внимание на то, что почленно складывать, вычитать и
сокращать в термохимических уравнениях можно только вещества,
находящиеся в одинаковых агрегатных состояниях, иначе мы ошибемся в
определении теплового эффекта на величину теплоты перехода из одного
агрегатного состояния в другое.
1.2. Основные законы термохимии
Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических
реакциях, называется термохимией.
Существует два важнейших закона термохимии. Первый из них, закон
Лавуазье–Лапласа, формулируется следующим образом:
Тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной
реакции с противоположным знаком.
Это означает, что при образовании любого соединения выделяется
(поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при
его распаде на исходные вещества. Например:
2 H2(г) + O2(г) 2 H2О(ж) + 572 кДж (горение водорода в кислороде)
2 H2О(ж) + 572 кДж = 2 H2(г) + O2(г) (разложение воды электрическим
током)
Закон Лавуазье–Лапласа является следствием закона сохранения энергии.
Второй закон термохимии был сформулирован в 1840 г российским академиком
Г. И. Гессом:
Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного
состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательных реакций
будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и в
конце этих рядов одни и те же исходные и конечные вещества. Эти два
основных закона термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое
сходство с математическими, когда в уравнениях реакций можно переносить
члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать
формулы химических соединений. При этом необходимо учитывать
коэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые,
вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковом
агрегатном состоянии.
2. Применение теплового эффекта на практике
*
H
J
L
N
P
’
®
°
?
?
¶
o
n„†???3/4THaaaeaeСписок литературы Мусабеков Ю. С., Марселен Бертло, М., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929. Патент 852586 Российская Федерация. МКИ В 28 Д 5/00. Способ размерной обработки алмаза /А.П.Григорьев, С.Х.Лифшиц, П.П.Шамаев (Российская Федерация). - 2 с. Классен В.К. Материальный баланс.Теплотехнические расчеты тепловых агрегатов. – Белгород: БТИСМ, 1978. –114 с. Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей.– М.:Стройиздат,1983.-416с. Е-mail: HYPERLINK "mailto:[email protected]" [email protected] "Биотехнологии" ( HYPERLINK "http://www.ictc.ru/R_42.htm" \t "_blank" http://www.ictc.ru/R_42.htm ). С.Д. Варфоломеев, Ю.М. Евдокимов, М.А. Островский. "ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК". PAGE PAGE 2 Выполнила студентка гр. ЭК-032в Черных Е. А. Руководитель Фролов .
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
