Термохимические циклы — Физическая химия для олимпиад

Термохимические циклы

9 заданий

Энтальпии разных процессов

linkОпора

Закон Гесса (урок 38) позволяет составлять замкнутые циклы из любых процессов, энтальпии которых известны. Чтобы не запутаться, сначала соберём названия процессов, которые входят в такие циклы.

ПроцессЧто происходитЗнак
образование \(\Delta_fH^\circ\)1 моль вещества из простых веществлюбой
сгорание \(\Delta_cH^\circ\)1 моль вещества сгорает в кислороде до высших оксидов−
атомизация1 моль атомов элемента в газе из простого вещества+
диссоциация связиразрыв 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−
гидратациягазообразный ион переходит в воду−
растворениекристалл растворяется в воделюбой

Знаки понятны из физики (урок 95): разделение притягивающихся частиц требует энергии, сближение — выделяет её. Поэтому разрыв связей, ионизация и атомизация эндотермичны, а образование решётки из ионов и гидратация ионов экзотермичны.

errorСогласуйте определение

Энергией решётки в разных книгах называют то энергию разрушения кристалла на газообразные ионы (положительную), то энтальпию его образования из ионов (отрицательную). Сродство к электрону — энергия, выделяющаяся при присоединении электрона (положительная), а энтальпия присоединения — та же величина со знаком минус. Перед расчётом явно выпишите, какой процесс и в какую сторону.

Энергии связей

Средняя энергия связи — энергия разрыва связи данного типа в газообразной молекуле, усреднённая по многим молекулам.

functionsЭнтальпия реакции через энергии связей

Проведём газофазную реакцию через атомы. Сначала разорвём все связи в реагентах — это стоит \(\sum E(\text{разрываемых})\). Затем соберём из атомов продукты — выделится \(\sum E(\text{образующихся})\). По закону Гесса

\[\Delta_rH \approx \sum E(\text{разрываемых связей}) - \sum E(\text{образующихся связей}).\]

Знак приближённого равенства — потому что энергии связей средние.

Связь\(E\), кДж/мольСвязь\(E\), кДж/моль
H–H436C–C347
Cl–Cl242C=C614
H–Cl431C≡C839
C–H413C–Cl339
O=O498C=O (в \(\ce{CO2}\))799
O–H463N≡N945
N–H391

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: энтальпии фазовых переходов не учтены. Точность — точность 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: нельзя собрать кристалл из газообразных ионов в калориметре. Но её находят по закону Гесса из цикла Борна — Габера: образование соли из простых веществ проводят мысленно через газообразные ионы.

Цикл Борна — Габера для NaCl: путь через атомы и газообразные ионы и прямое образование соли дают одну и ту же энтальпию
Цикл Борна — Габера для NaCl: путь через атомы и газообразные ионы и прямое образование соли дают одну и ту же энтальпию

functionsЦикл для KCl

Образование \(\ce{KCl(s)}\) из калия и хлора проведём по стадиям (кДж/моль): сублимация калия \(+89{,}0\); ионизация \(\ce{K(g) -> K+(g) + e-}\) \(+418{,}8\); половина энергии связи \(\ce{Cl2}\) \(+121{,}7\); присоединение электрона \(\ce{Cl(g) + e- -> Cl-(g)}\) \(-348{,}8\); наконец, образование решётки из ионов \(\Delta H_\text{реш}\). Сумма стадий равна энтальпии образования, \(\Delta_fH^\circ(\ce{KCl}) = -436{,}5\):

\[89{,}0 + 418{,}8 + 121{,}7 - 348{,}8 + \Delta H_\text{реш} = -436{,}5,\]
\[\Delta H_\text{реш} = -436{,}5 - 280{,}7 = -717{,}2\ \text{кДж/моль}.\]

edit_noteРастворение соли

Растворение можно разложить на разрушение решётки и гидратацию газообразных ионов. Для \(\ce{KCl}\): разрушение решётки \(+717\) кДж/моль, гидратация \(\ce{K+}\) около \(-322\), \(\ce{Cl-}\) около \(-378\) кДж/моль, итого \(\Delta_\text{раств}H \approx 717 - 700 = +17\) кДж/моль — раствор при растворении охлаждается. Энтальпия растворения — малая разность больших чисел, поэтому одни соли растворяются с нагреванием, а другие с охлаждением.

infoИз истории

Цикл предложили в 1919 году Макс Борн и Фриц Габер — физик и химик. Энергию решётки можно оценить и без цикла: советский химик Анатолий Капустинский в 1950-х годах вывел простую формулу по зарядам ионов и сумме их радиусов. Энергия решётки растёт с зарядами ионов и уменьшается с их размером — это прямо следует из закона Кулона (урок 95). Поэтому \(\ce{MgO}\) (\(\ce{Mg^2+ O^2-}\)) плавится при 2850 °C, а NaCl — при 801 °C.

push_pinГлавное

Любой термохимический цикл — это закон Гесса: сумма изменений энтальпии по замкнутому пути равна нулю. Энтальпию газофазной реакции оценивают как разность энергий разрываемых и образующихся связей; энергию решётки находят по циклу Борна — Габера; определения (разрушение или образование кристалла) задают знак, и их согласовывают до расчёта.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Физическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — по приложению C регламента IChO и официальным комплектам ВсОШ и перечневых олимпиад; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.