| |
 |
Это то значение теплоты реакции, которое получается, если дать получаемой воде остыть до жидкого состояния, то есть, в нее включается и отдаваемая при таянии латентная теплота парообразования. Если же вода остается в газообразном состоянии, то без латентной теплоты парообразования ?Н становится равной только -57,8 килокалорий. Однако, такого рода уточнения, как бы важны они ни были для химиков, для нас сейчас не будут представлять особого интереса.
Сравнивая теплоту реакции горения углерода с теплотой реакции горения водорода, мы сравниваем их моль к молю. Один моль горящего углерода отдает почти в два раза меньше тепла, чем один моль горящего водорода. Однако, моль углерода весит 12 граммов, а моль водорода – всего 2 грамма. Если мы будем сравнивать эти вещества грамм к грамму, мы увидим, что один грамм углерода при сжигании отдает 94,03/12, то есть 7,8 килокалорий, а грамм водорода – 68,37/2, то есть 34,2 килокалории. Соответственно, при весовом подходе (который является естественным для всех, кроме химиков), логично сделать вывод, что при сжигании водорода вырабатывается почти в 4Ѕ раза больше энергии, чем при сжигании углерода. Так что всегда важно знать, что именно предстоит сравнивать.
Уголь представляет собой практически чистый углерод, а водород – он и есть водород. Однако, существуют важные виды топлива, молекулы которых содержат более одного вида элементов. В состав молекул различного вида нефтепродуктов – бензина, керосина, дизельного топлива – входят и водород, и углерод. В состав древесины входят молекулы, содержащие и углерод, и водород, и кислород. Такие молекулы, хоть и гораздо более сложны, подчиняются тем же самым законам. Возьмем для примера метан, основную составляющую так называемого «природного газа», используемого в газовых плитах и газовом отоплении. Молекула метана состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода (СН4). Вот так выглядит выражение, описывающее соединение метана с кислородом:
СН4 + 2О2 – > СО2 + 2Н2О ?Н = -210,8 ккал.
Как видно из формулы, при этом образуется и углекислота, и вода.
Если оценивать молярно, то метан способен вырабатывать больше тепла, чем и углерод, и водород по отдельности. Однако, молекулярный вес метана – 16 (складывается из 12 – веса атома углерода, и 4 – веса 4 атомов водорода. Соответственно, один грамм метана выделяет при горении 210,8/16, то есть 13,2 килокалории. Это больше, чем тепло, высвобождаемое при горении одного грамма углерода, но меньше, чем тепло, высвобождаемое при горении одного грамма водорода. Собственно, этого и следовало ожидать от вещества, состоящего частично из углерода, частично из водорода.
Пример еще более сложной молекулы – этиловый спирт (известное вещество, присутствующее в пиве, вине и виски, которые некоторые из нас иногда могут позволить себе выпить). Его молекула состоит из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома кислорода (С2Н6О).
Так выглядит выражение для реакции его горения:
С2Н6О + 3О2 – > 2СО2 + 3Н2О ?Н = -327,6 ккал.
Молекулярный вес этилового спирта – 46 (24 – два атома углерода, 6 – шесть атомов водорода, 16 – один атом кислорода), так что при сгорании одного грамма этилового спирта высвобождается 327,6/46, то есть, 7,1 килокалорий. Это гораздо меньше, чем при сгорании грамма водорода или метана. Это даже меньше, чем при сгорании одного грамма углерода. Дело в том, что в молекуле спирта уже имеется один атом кислорода, поэтому такую молекулу можно рассматривать, так сказать, как уже частично сгоревшую. Один из семи атомов кислорода, необходимых для связывания всех имеющихся атомов углерода и водорода в углекислоты и воду, уже присутствует в молекуле.
Участие в реакции кислорода не является обязательным условием выделения при ней тепла (хотя именно реакции такого плана с участием кислорода стали первыми известными человечеству). На самом деле, любые химические изменения имеют некоторую теплоту реакции. К примеру, в предыдущей главе я уже приводил выражения для реакции формирования хлороводорода из водорода и хлора, и хлорида натрия – из натрия и хлора. ?Н первой из этих реакций – минус 22,6 килокалории (для создания одного моля хлорводорода из половины моля водорода и половины моля хлора), а второй – минус 98,3 килокалорий (для создания одного моля хлорида натрия из одного моля соды и половины моля хлора).
Существует такой тип веществ, как «кислоты», характеризующийся определенным набором свойств, который может вступать в реакцию с другим типом веществ, так называемыми «основаниями», обладающими прямо противоположными кислотным свойствами. В результате этих реакций образуются вещества, чьи свойства не близки ни кислотам, ни основаниям. Такие реакции называются «реакциями нейтрализации», и мы приведем пример одной из них. Вот как реагирует хлороводород, раствор которого имеет кислотные свойства, с гидроксидом натрия, раствор которого является основанием (в результате реакции получаются хлорид натрия и вода):
НСl + NaOH – > NaCl + Н2О ?Н = -137,4 ккал.
Даже такие процессы, которые химическими можно назвать лишь с некоторой натяжкой, например, растворение некоего вещества в воде, могут выделять тепло реакции. Это вполне логично, поскольку при растворении вещества происходит замена сил, удерживающих его молекулы вместе, на силы, удерживающие его молекулы посреди молекул воды. Так, если в воде растворить карбонат натрия (пищевую соду), то ?Н этого процесса (именуемого в данном случае «молярной теплотой растворения», а не «молярной теплотой реакции») составит около -5,64 килокалорий.
Остановимся поподробнее на карбонате натрия. Формула этого вещества – Na2CO2, молекулярный вес – 106 (46 – вес двух атомов натрия, 12 – вес углерода и 48 – вес трех атомов кислорода), так что растворение одного грамма карбоната натрия приведет к выделению 5,64/106, то есть, 0,053 килокалорий. Это 53 калории, то есть, меньше тепла, чем выделится при замерзании одного грамма воды, так что неудивительно, что факт выделения тепла при растворении соды остается незамеченным.
Изменения химической энергии не должны нарушать законы термодинамики. Я уже упоминал об этом, когда оговаривался, что изменение уровня химической энергии должно компенсироваться противоположным изменением уровня тепловой энергии, чтобы не оказался нарушенным первый закон термодинамики. Но это еще не все.
Самый первый закон о свойствах химической энергии вывели в свое время Лавуазье и еще один французский ученый, Пьер Симон де Лаплас, который в 1780 году на основании достаточно грубых (по позднейшим меркам) измерений сделал вывод, что тепло, поглощаемое при разложении вещества на составляющие, равняется теплу, затрачиваемому на то, чтобы создать это же вещество из этих же составляющих.
Вот пример. Я уже говорил, что при соединении водорода и кислорода выделяется 68,37 килокалорий тепла на моль сгоревшего водорода, или (что то же самое, как видно из уравнения), на моль получившейся воды:
Н2 + ЅО2 – > Н2О ?Н = -68,37 ккал.
Следовательно, согласно закону Лавуазье-Лапласа, разложение одного моля воды на водород и кислород (выражение для этого действия можно получить, просто обратив вспять выражение для создания воды из составляющих), потребует приложения 68,37 килокалорий энергии, то есть:
Н2О – > Н2 + ЅО2 ?Н = +68,37 ккал.
В данном случае значение ?Н положительно, поскольку вода в ходе реакции получает, а не отдает, химическую энергию за счет того, что для того, чтобы реакция разложения молекулы воды оказалась возможной, к ней прилагают энергию тепловую, или (что чаще) – электрическую.
Можно провести аналогию между химической энергией и механической. В механике, кинетическая энергия движущегося вверх предмета полностью преобразуется в потенциальную энергию в верхней точке подъема, а затем – обратно в изначальную кинетическую энергию в нижней точке падения. Точно таким же образом, не-химическая энергия, которую получает вода, переводится в химическую путем распада на смесь водорода с кислородом, а затем – вновь переходит в не-химическую, когда водород с кислородом снова соединяются, образуя воду (см. рис. 10).
Разумеется, полное равенство достижимо только в идеальных условиях. В отношении механической энергии – это отсутствие трения и сопротивления воздуха, в отношении химической – это отсутствие теплопотери. В реальности, когда воду разлагают с помощью электрического тока, часть электрической энергии всегда теряется, переходя в тепло; а если энергию сразу подают в воду в тепловом виде, то часть ее обязательно уходит в окружающее пространство. В любом случае, сначала приходится тратить больше энергии, чем ее удастся получить в итоге. Однако это лишь отражение увеличения энтропии, а в целом же данный факт только лишний раз подтверждает, что в отношении химической энергии законы термодинамики соблюдаются так же, как и в отношении любой другой.
Еще один важный закон открыл в 1840 году физик по имени Герман Иванович Гесс в Санкт-Петербурге. Проведя множество экспериментов в области теплоты реакций, он сделал вывод, что в общем случае, если реакция происходит в несколько стадий, то общий объем теплоты реакций в цепочке будет тот же, что и если производить реакцию в один прием. Этот закон был назван именем открывшего его ученого, и оказался столь важным, что Гесса сейчас принято считать отцом «термохимии» (тепловой химии).
В качестве простого примера (хоть и не попавшего в число тех, что наблюдал сам Гесс) можно привести опять же горение углерода. Углерод может соединяться с кислородом и в пропорции атомов один к одному – в таком случае получается угарный газ, СО. Соответственно, мы можем написать такое выражение:
С + ЅО2 – > СО ?Н = -26,4 ккал.
Угарный газ способен гореть – то есть, объединяться еще с одним атомом кислорода в более распространенный углекислый газ:
СО + ЅО2 – > СО2 ?Н = -67,6 ккал.
Если мы сложим оба этих выражения (как будто бы это были просто математические уравнения), то по закону Гесса мы должны будем получить суммарную теплоту реакции.
С + ЅО2 + СО + ЅО2 – > СО + СО2 ?Н = (-26,4) + (-67,6) ккал.
Преобразовав получившееся выражение опять же по законам математики, то есть, сократив находящийся по обе стороны уравнение СО, и сложив две половинки молекулы кислорода в одну целую, мы получаем
С + О2 – > СО2 ?Н = -94,0 ккал.
то есть, именно то же самое выражение, которое мы вывели бы, если бы просто сжигали углерод, получая при этом в один прием углекислоту.
Более общая формулировка закона Гесса звучит так: при преобразовании химическим образом вещества А в вещество В итоговое изменение энергетического содержания будет одним и тем же вне зависимости от того, каким путем вещество было преобразовано. Здесь можно снова провести аналогию с механической энергией, где совершенно не важно, каким образом и по какому маршруту тело было перемещено из одного положения в другое, на изменение его потенциальной энергии влияет только само изменение положения.
Признаюсь теперь, что используя в качестве самого простого примера действия закона Гесса процесс горения углерода, я несколько погрешил против истины. Измерить напрямую количество тепла, получаемого при сжигании углерода с образованием угарного газа - невозможно, поскольку нельзя построить эксперимент таким образом, чтобы углерод, соединяясь с кислородом, образовывал только угарный газ. Чистый угарный газ можно получать, но по-другому.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
