Термохимические циклы
Энтальпии разных процессов
| Процесс | Что происходит | Знак |
|---|---|---|
| образование \(\Delta_fH^\circ\) | 1 моль вещества из простых веществ | любой |
| сгорание \(\Delta_cH^\circ\) | 1 моль вещества сгорает в кислороде до высших оксидов | − |
| атомизация | 1 моль атомов элемента в газе из простого вещества | + |
| диссоциация связи | разрыв связи в газообразной молекуле на атомы | + |
| ионизация | \(\ce{M(g) -> M+(g) + e-}\) | + |
| присоединение электрона | \(\ce{X(g) + e- -> X-(g)}\) | обычно − |
| решётка (образование) | ионы из газа собираются в кристалл | − |
| гидратация | газообразный ион переходит в воду | − |
| растворение | кристалл растворяется в воде | любой |
errorСогласуйте определение
«Энергия решётки» в разных книгах — то энергия разрушения кристалла на газообразные ионы (положительная), то энтальпия его образования из ионов (отрицательная). «Сродство к электрону» — энергия, выделяющаяся при присоединении электрона (положительная), а энтальпия присоединения — со знаком минус. Перед расчётом явно выпишите, какой процесс и в какую сторону.
Энергии связей
Средняя энергия связи — энергия разрыва связи данного типа, усреднённая по многим молекулам. Для газофазной реакции
| Связь | \(E\), кДж/моль | Связь | \(E\), кДж/моль |
|---|---|---|---|
| H–H | 436 | C–C | 347 |
| Cl–Cl | 242 | C=C | 614 |
| H–Cl | 431 | C≡C | 839 |
| C–H | 413 | C–Cl | 339 |
| O=O | 498 | C=O (в \(\ce{CO2}\)) | 799 |
| O–H | 463 | N≡N | 945 |
| N–H | 391 |
edit_noteГорение метана до водяного пара
Разрываем 4 связи C–H и 2 связи O=O: \(4\cdot413 + 2\cdot498 = 2648\) кДж; образуем 2 связи C=O и 4 связи O–H: \(2\cdot799 + 4\cdot463 = 3450\) кДж. \(\Delta H \approx 2648 - 3450 = -802\) кДж/моль — совпадает с точным значением.
ruleКогда оценка надёжна
Только для газов (фазовые переходы не учтены) и с точностью «средней» связи: в конкретной молекуле энергия связи может отличаться на десятки кДж/моль. Точный расчёт — через \(\Delta_fH^\circ\).
Цикл Борна — Габера
Энергию кристаллической решётки ионного соединения измерить напрямую нельзя, но её находят по закону Гесса из цикла Борна — Габера: образование соли из простых веществ проводят мысленно через газообразные ионы.
Для \(\ce{NaCl}\) (кДж/моль): сублимация натрия \(+107{,}3\); ионизация \(+495{,}8\); половина энергии связи \(\ce{Cl2}\) \(+121{,}7\); присоединение электрона к хлору \(-348{,}8\); образование решётки из ионов \(\Delta H_\text{реш}\); всё вместе даёт \(\Delta_fH^\circ(\ce{NaCl}) = -411{,}2\). Отсюда \(\Delta H_\text{реш} = -411{,}2 - 376{,}0 = -787{,}2\) кДж/моль.
edit_noteРастворение соли
Растворение можно разложить на разрушение решётки (\(+787\)) и гидратацию ионов (\(\ce{Na+}\): \(-406\), \(\ce{Cl-}\): \(-378\) кДж/моль): \(\Delta_\text{раств}H \approx 787 - 784 = +3\) кДж/моль. Малая разность больших чисел — поэтому одни соли растворяются с нагреванием, другие с охлаждением.
infoИз истории
Цикл предложили в 1919 году Макс Борн и Фриц Габер — физик и химик. Энергию решётки можно и оценить без цикла: советский химик Анатолий Капустинский в 1950-х годах вывел простую формулу по зарядам ионов и сумме их радиусов. Правило, которое из неё следует, стоит запомнить: энергия решётки растёт с зарядами ионов и уменьшается с их размером — поэтому MgO (\(\ce{Mg^2+ O^2-}\)) плавится при 2850 °C, а NaCl — при 801 °C.
push_pinГлавное
Любой цикл — это закон Гесса: сумма изменений энтальпии по замкнутому пути равна нулю; определения (энергия решётки как образование или разрушение кристалла) задают знак — их согласовывают до расчёта.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.