Iga keemilise reaktsiooniga kaasneb energia vabanemine või neeldumine soojuse kujul.
Soojuse eraldumise või neeldumise alusel eristatakse eksotermiline ja endotermiline reaktsioonid.
eksotermiline reaktsioonid – sellised reaktsioonid, mille käigus eraldub soojust (+ Q).
Endotermilised reaktsioonid - reaktsioonid, mille käigus neeldub soojust (-Q).
Reaktsiooni termiline efekt (K) on soojushulk, mis eraldub või neeldub teatud hulga algreaktiivide koosmõjul.
Termokeemiline võrrand on võrrand, milles on näidatud keemilise reaktsiooni soojusefekt. Näiteks on termokeemilised võrrandid:
Samuti tuleb märkida, et termokeemilised võrrandid peavad tingimata sisaldama teavet reagentide ja toodete agregaatide olekute kohta, kuna sellest sõltub termilise efekti väärtus.
Reaktsioonisoojuse arvutused
Näide tüüpilisest probleemist reaktsiooni soojusefekti leidmiseks:
45 g glükoosi koostoimel hapniku liiaga vastavalt võrrandile
C6H12O6 (tahke) + 6O2 (g) \u003d 6CO 2 (g) + 6H2O (g) + Q
Vabanes 700 kJ soojust. Määrake reaktsiooni termiline efekt. (Kirjutage number üles lähima täisarvuni.)
Lahendus:
Arvutage glükoosisisaldus:
n (C 6 H 12 O 6) \u003d m (C 6 H 12 O 6) / M (C 6 H 12 O 6) = 45 g / 180 g / mol \u003d 0,25 mol
Need. 0,25 mol glükoosi ja hapniku vastasmõjul vabaneb 700 kJ soojust. Tingimuses esitatud termokeemilisest võrrandist järeldub, et kui 1 mol glükoosi interakteerub hapnikuga, moodustub soojushulk, mis on võrdne Q-ga (reaktsioonisoojus). Siis on tõene järgmine proportsioon:
0,25 mol glükoosi - 700 kJ
1 mol glükoosi - Q
Sellest proportsioonist tuleneb vastav võrrand:
0,25 / 1 = 700 / Q
Mille lahendamisel leiame, et:
Seega on reaktsiooni termiline efekt 2800 kJ.
Arvutused termokeemiliste võrrandite järgi
Palju sagedamini on termokeemia USE ülesannetes soojusefekti väärtus juba teada, sest. täielik termokeemiline võrrand on antud tingimuses.
Sel juhul tuleb arvutada kas teadaoleva koguse reagendi või tootega eralduva/neeldunud soojuse hulk või, vastupidi, mis tahes protsessis osaleva isiku aine mass, maht või kogus. reaktsioon teadaolevast soojusväärtusest.
Näide 1
Vastavalt termokeemilise reaktsiooni võrrandile
3Fe 3 O 4 (tahke) + 8Al (tahke) \u003d 9Fe (tahke) + 4Al 2 O 3 (tahke) + 3330 kJ
moodustas 68 g alumiiniumoksiidi. Kui palju soojust sel juhul vabaneb? (Kirjutage number üles lähima täisarvuni.)
Lahendus
Arvutage alumiiniumoksiidi aine kogus:
n (Al 2 O 3) \u003d m (Al 2 O 3) / M (Al 2 O 3) \u003d 68 g / 102 g / mol \u003d 0,667 mol
Vastavalt reaktsiooni termokeemilisele võrrandile eraldub 4 mol alumiiniumoksiidi moodustumisel 3330 kJ. Meie puhul moodustub 0,6667 mol alumiiniumoksiidi. Tähistades sel juhul vabanenud soojushulka, moodustame läbi x kJ proportsiooni:
4 mol Al 2 O 3 - 3330 kJ
0,667 mol Al2O3 - x kJ
See proportsioon vastab võrrandile:
4 / 0,6667 = 3330 / x
Mille lahendamisel leiame, et x = 555 kJ
Need. 68 g alumiiniumoksiidi moodustumisel eraldub vastavalt termokeemilisele võrrandile tingimusel 555 kJ soojust.
Näide 2
Reaktsiooni tulemusena, mille termokeemiline võrrand
4FeS 2 (tahke) + 11O 2 (g) \u003d 8SO 2 (g) + 2Fe 2O 3 (tahke) + 3310 kJ
Soojust vabanes 1655 kJ. Määrake eralduva vääveldioksiidi maht (l) (n.o.s.). (Kirjutage number üles lähima täisarvuni.)
Lahendus
Vastavalt termokeemilisele reaktsioonivõrrandile eraldub 8 mol SO 2 moodustumisel 3310 kJ soojust. Meie puhul eraldus 1655 kJ soojust. Olgu sel juhul moodustunud aine SO 2 kogus võrdne x mol. Siis kehtib järgmine proportsioon:
8 mol SO 2 - 3310 kJ
x mol SO 2 - 1655 kJ
Millest tuleneb võrrand:
8 / x = 3310 / 1655
Mille lahendamisel leiame, et:
Seega on antud juhul moodustunud aine SO 2 kogus 4 mol. Seetõttu on selle maht:
V (SO 2) \u003d V m ∙ n (SO 2) \u003d 22,4 l / mol ∙ 4 mol \u003d 89,6 l ≈ 90 l(ümarda üles täisarvudeni, sest see on tingimuses nõutav.)
Rohkem analüüsitud probleeme võib leida keemilise reaktsiooni termilise mõju kohta.
Keemilise reaktsiooni termiline mõju
Keemilise reaktsiooni toimumisel asetsevad molekulides ümber keemilised sidemed, toimub üleminek ühest agregatsiooniseisundist teise jne. Kõik see toob kaasa muutuse süsteemi sisemises energias. Sel juhul saab süsteem teha tööd ja vahetada energiat keskkonnaga. Kuna kõiki energialiike saab taandada samaväärseks soojushulgaks, siis keemilises termodünaamikas räägitakse keemilise reaktsiooni soojusefektist.
Keemilise reaktsiooni termiline mõju- soojushulk, mis vabaneb või neeldub reaktsiooni käigus järgmistel tingimustel:
Protsess kulgeb konstantse mahu või rõhu juures pöördumatult;
Süsteemis ei tehta muid töid peale laiendamistöö;
Reaktsiooniproduktidel on sama temperatuur kui lähteainetel.
Termodünaamika esimese seaduse kohaselt on reaktsiooni termiline efekt: D K=D U + p× D v. Kuna soojus ei ole oleku funktsioon, sõltub keemilise reaktsiooni soojusefekti suurus protsessi teostamise (tee) tingimustest. Isohoorsetes tingimustes läbiviidud keemilisel reaktsioonil on termiline efekt (D K V=D U V) ja isobaaris (D Qp=D Üles + p× D V=D H).
On ilmne, et D Qp-D K V=p× D V. Kondenseerunud faasis toimuvate reaktsioonide puhul (vedelikud, tahked ained) D V»0, a D Qp»D K V.
Kõige sagedamini viiakse keemilised reaktsioonid läbi konstantsel rõhul, seetõttu kasutatakse termodünaamiliste arvutuste tegemisel tavaliselt konstantsel rõhul soojusefekti D Q p . Sel juhul vastab see süsteemi entalpia muutusele reaktsiooni D ajal Qp=D r H(indeks r näitab termodünaamilise funktsiooni, antud juhul entalpia muutust keemilise reaktsiooni käigus).
Reaktsioone, mis eraldavad keskkonda soojust, nimetatakse eksotermiline ja reaktsioonid, mis põhinevad soojuse neeldumisel keskkond, – endotermiline. Kuna reaktsiooni termiline efekt vastab süsteemi entalpia muutumisele, on ilmne, et eksotermiliste protsesside puhul D r H<0, а для эндотермических Dr H>0.
Kuna isobaarilistes või isohoorsetes tingimustes toimuvate keemiliste reaktsioonide korral omandab soojus omadused riigi funktsioonid, siis võib väita, et reaktsiooni termiline efekt sõltub ainult lähteainete ja lõppsaaduste tüübist ja olekust ning ei sõltu mõne ainete teiseks muutumise teest (vahefaasid). Seda väidet võib vaadelda kui termodünaamika esimese seaduse rakendamist keemilistele reaktsioonidele. Seda nimetatakse Hessi seadus ja see on termokeemia põhiseadus.
G.I. Hess (Peterburi Teaduste Akadeemia) tegi eksperimentaalselt kindlaks, et "kui mõnda teist ainet on võimalik saada mõnest lähteainest mitmel viisil, siis nende ainete moodustumisel eralduv soojuse summaarne kogus on alati sama, sõltumata tootmismeetod."
Näide. Vaatleme ühe mooli süsiniku (grafiidi) ja hapniku vastasmõju reaktsiooni süsinikdioksiidi moodustumisega temperatuuril T= 298 K.
Seda protsessi saab läbi viia kahel viisil:
1) C (grafiit) + O 2 = CO 2; D r H 1 = -393,51 kJ;
2) C(grafiit) + 0,5O2 = CO; D r H 2 = -110,53 kJ;
CO + 0,5O 2 \u003d CO 2; D r H 3 = -282,98 kJ.
Riis. 5-3 Süsteemi entalpia muutumise skeem, kui üks mool süsinikku reageerib hapnikuga, moodustades süsinikdioksiidi
Süsteemi entalpia muutumise skeem on näidatud joonisel 5.3. See näitab, et D r H 1 = D r H 2 + D r H 3 . Kui ühe reaktsiooni soojusefekt on teadmata, saab selle arvutada, teades ülejäänud. Näiteks kui D r H 1 ja D r H 3, siis D r H 2=D r H 1-D r H 3 .
Seega saab Hessi seadust kasutades välja arvutada keemiliste reaktsioonide termilised mõjud juhtudel, kui nende eksperimentaalne määramine on võimatu või keeruline. Veelgi enam, olemasolevate eksperimentaalsete andmete põhjal suhteliselt väikese arvu keemiliste reaktsioonide kohta on võimalik teostada nii tegelike kui ka hüpoteetiliste protsesside termodünaamilisi arvutusi.
Reaktsiooni termiline efekt võtab üldjuhul arvesse teatud arvu lähteaine moolide üleminekut lõppaine teatud moolide arvule, vastavalt reaktsioonivõrrandile. Sel juhul viitab soojusefekti arvväärtus konkreetse keemilise reaktsiooni võrrandile ja selle mõõde on [kJ]. Nimetatakse keemilise reaktsiooni võrrandit, mis sisaldab selle termilist efekti termokeemiline võrrand.
Sageli omistatakse reaktsiooni termiline efekt ühe mooli aine muundumisele. Antud aine reaktsioonivõrrandi stöhhiomeetriline koefitsient on võrdne ühega ja teiste ainete koefitsiendid võivad olla täis- või murdarvud. Sel juhul on soojusefekti mõõde [kJ/mol]. On aktsepteeritud, et ühe mooli aine moodustumise reaktsioonide termilisi mõjusid tähistatakse D-ga f H ja ühe mooli aine põlemisreaktsioonide termilised mõjud - D c N.
Sissejuhatus
Keemiliste reaktsioonide termiline mõju on vajalik paljude tehniliste arvutuste jaoks. Need leiavad laialdast rakendust paljudes tööstusharudes ja ka sõjalistes arengutes.
Käesoleva kursusetöö eesmärgiks on uurida soojusefekti praktilist rakendamist. Vaatleme mõningaid selle kasutamise võimalusi ja selgitame välja, kui oluline on kasutada keemiliste reaktsioonide termilisi mõjusid kaasaegsete tehnoloogiate arendamise kontekstis.
Keemilise reaktsiooni termiline mõju
Igas aines on teatud kogus energiat talletatud. Seda ainete omadust kohtame juba hommiku-, lõuna- või õhtusöögi ajal, kuna toiduained võimaldavad meie kehal kasutada mitmesuguste toidus sisalduvate keemiliste ühendite energiat. Kehas muundub see energia liikumiseks, tööks ning seda kasutatakse püsiva (ja üsna kõrge!) kehatemperatuuri hoidmiseks.
Üks kuulsamaid termokeemia alal tegutsevaid teadlasi on Berthelot. Berthelot on keemiaprofessor Pariisi Kõrgemas Farmaatsiakoolis (1859). haridus- ja välisminister.
Alates 1865. aastast tegeles Berthelot aktiivselt termokeemiaga, viis läbi ulatuslikke kalorimeetrilisi uuringuid, mis viisid eelkõige "kalorimeetrilise pommi" (1881) leiutamiseni; talle kuuluvad mõisted "eksotermilised" ja "endotermilised" reaktsioonid. Berthelot sai ulatuslikke andmeid tohutu hulga reaktsioonide termiliste mõjude, paljude ainete lagunemis- ja moodustumise kuumuse kohta.
Berthelot uuris lõhkeainete toimet: plahvatuse temperatuuri, põlemiskiirust ja lööklaine levikut jne.
Keemiliste ühendite energia on koondunud peamiselt keemilistesse sidemetesse. Kahe aatomi vahelise sideme katkestamiseks kulub energiat. Keemilise sideme moodustumisel vabaneb energia.
Iga keemiline reaktsioon seisneb teatud keemiliste sidemete katkemises ja teiste moodustamises.
Kui uute sidemete moodustumisel eraldub keemilise reaktsiooni tulemusena rohkem energiat, kui kulus algsetes ainetes "vanade" sidemete hävitamiseks, siis üleliigne energia vabaneb soojuse kujul. Põlemisreaktsioonid on näiteks. Näiteks maagaas (metaan CH4) põleb õhuhapnikus suure soojushulga eraldumisega (joonis 1a). Sellised reaktsioonid on eksotermilised.
Soojuse vabanemisega kulgevad reaktsioonid avaldavad positiivset termilist efekti (Q>0, DH<0) и называются экзотермическими.
Muudel juhtudel nõuab algainetes olevate sidemete hävitamine rohkem energiat, kui uute sidemete moodustumisel vabaneda suudetakse. Sellised reaktsioonid toimuvad ainult siis, kui energiat tarnitakse väljastpoolt ja neid nimetatakse endotermilisteks.
Reaktsioonid, mis kaasnevad soojuse neeldumisega keskkonnast (Q<0, DH>0), st. negatiivse termilise efektiga on endotermilised.
Näitena võib tuua süsinikmonooksiidi (II) CO ja vesiniku H2 moodustumise kivisöest ja veest, mis toimub ainult kuumutamisel (joonis 1b).
Riis. 1a, b. Keemiliste reaktsioonide kujutamine molekulaarmudelite abil: a) eksotermiline reaktsioon, b) endotermiline reaktsioon. Mudelid näitavad selgelt, kuidas konstantse aatomite arvu juures hävivad nendevahelised vanad keemilised sidemed ja tekivad uued keemilised sidemed.
Seega kaasneb iga keemilise reaktsiooniga energia vabanemine või neeldumine. Kõige sagedamini vabaneb või neeldub energia soojuse kujul (harvemini valguse või mehaanilise energia kujul). Seda soojust saab mõõta. Mõõtmistulemus väljendatakse kilodžaulides (kJ) ühe mooli reagendi või (harvemini) mooli reaktsioonisaaduse kohta. Seda suurust nimetatakse reaktsioonisoojuseks.
Soojusefekt - soojushulk, mille keemiline süsteem eraldub või neelab selles toimuva keemilise reaktsiooni käigus.
Soojusefekti tähistatakse sümbolitega Q või DH (Q = -DH). Selle väärtus vastab reaktsiooni alg- ja lõppseisundi energiate erinevusele:
DH = käek – madal = Econ.- Eout.
Ikoonid (d), (g) tähistavad ainete gaasilist ja vedelat olekut. On ka tähistusi (tv) või (k) - tahke, kristalne aine, (aq) - vees lahustunud aine jne.
Oluline on aine agregatsiooni oleku määramine. Näiteks vesiniku põlemise reaktsioonis tekib vesi esialgu auruna (gaasiline olek), mille kondenseerumisel võib vabaneda veel veidi energiat. Seetõttu on vedeliku kujul vee moodustumisel reaktsiooni mõõdetud termiline efekt mõnevõrra suurem kui ainult auru moodustumisel, kuna auru kondenseerumisel eraldub veel üks osa soojust.
Kasutatakse ka reaktsiooni termilise efekti erijuhtu – põlemissoojust. Nimest endast selgub, et põlemissoojus iseloomustab kütusena kasutatavat ainet. Põlemissoojus viitab 1 moolile ainest, mis on kütus (oksüdatsioonireaktsiooni redutseerija), näiteks:
|
atsetüleen |
atsetüleeni kütteväärtus |
Molekulidesse salvestatud energia (E) saab joonistada energiaskaalal. Sel juhul saab reaktsiooni termilist efekti ( E) näidata graafiliselt (joonis 2).
Riis. 2. Soojusefekti (Q = E) graafiline esitus: a) vesiniku põlemise eksotermiline reaktsioon; b) vee lagunemise endotermiline reaktsioon elektrivoolu mõjul. Reaktsiooni koordinaati (graafiku horisontaaltelge) võib pidada näiteks ainete konversiooniastmeks (100% - lähteainete täielik konversioon).
Keemiliste reaktsioonide võrrandid
Keemiliste reaktsioonide võrrandeid, milles koos reagentide ja saadustega on kirjas ka reaktsiooni termiline efekt, nimetatakse termokeemilisteks võrranditeks.
Termokeemiliste võrrandite eripäraks on see, et nendega töötades on võimalik ainete valemeid ja soojusmõjude suurusi võrrandi ühest osast teise üle kanda. Tavaliste keemiliste reaktsioonide võrranditega on seda reeglina võimatu teha.
Lubatud on ka termokeemiliste võrrandite terminipõhine liitmine ja lahutamine. See võib olla vajalik selliste reaktsioonide termiliste mõjude määramiseks, mida on raske või võimatu katseliselt mõõta.
Võtame näite. Laboris on äärmiselt raske läbi viia "puhtal kujul" metaani CH4 saamise reaktsiooni süsiniku otsesel kombineerimisel vesinikuga:
C + 2H2 = CH4
Kuid arvutuste abil saate selle reaktsiooni kohta palju teada. Näiteks saate teada, kas see reaktsioon on eksotermiline või endotermiline, ja isegi kvantifitseerida termilise efekti suurus.
Metaani, süsiniku ja vesiniku põlemisreaktsioonide termilised mõjud on teada (need reaktsioonid on lihtsad):
a) CH4 (g) + 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2O (g) + 890 kJ
b) C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 394 kJ
c) 2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2O (l) + 572 kJ
Lahutage võrrandist (a) kaks viimast võrrandit (b) ja (c). Võrrandite vasakpoolsed osad lahutatakse vasakult, parem - paremalt. Sel juhul redutseeritakse kõik O 2, CO 2 ja H 2 O molekulid.
CH 4 (g) - C (tv) - 2H 2 (g) \u003d (890 - 394 - 572) kJ \u003d -76 kJ
See võrrand tundub mõnevõrra ebatavaline. Korrutage võrrandi mõlemad pooled (-1) ja liigutage CH 4 vastupidise märgiga paremale. Saame võrrandi, mida vajame söest ja vesinikust metaani moodustamiseks:
C (tv) + 2H 2 (g) \u003d CH4 (g) + 76 kJ / mol
Niisiis näitasid meie arvutused, et süsinikust ja vesinikust metaani moodustumise termiline efekt on 76 kJ (mooli metaani kohta) ja see protsess peab olema eksotermiline (selles reaktsioonis eraldub energiat).
Oluline on pöörata tähelepanu asjaolule, et termokeemilistes võrrandites saab liita, lahutada ja taandada ainult samades agregaatides olevaid aineid, vastasel juhul eksime termilise efekti määramisel üleminekusoojuse järgi. ühest koondolekust teise.
Termokeemia põhiseadused
Keemia haru, mis uurib energia muundumist keemilistes reaktsioonides, nimetatakse termokeemiaks.
Termokeemias on kaks kõige olulisemat seadust. Esimene neist, Lavoisier-Laplace'i seadus, on sõnastatud järgmiselt:
Edasisuunalise reaktsiooni soojusefekt on alati võrdne vastupidise märgiga pöördreaktsiooni termilise efektiga.
See tähendab, et mistahes ühendi tekkimisel eraldub (imendub) sama palju energiat, kui neeldub (eraldub) selle lagunemisel algaineteks. Näiteks:
2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g) + 572 kJ (vesiniku põlemine hapnikus)
2 H 2 O (l) + 572 kJ \u003d 2H 2 (g) + O 2 (g) (vee lagunemine elektrivoolu toimel)
Lavoisier-Laplace'i seadus on energia jäävuse seaduse tagajärg.
Teise termokeemia seaduse sõnastas 1840. aastal vene akadeemik G. I. Hess:
Reaktsiooni termiline efekt sõltub ainult ainete alg- ja lõppolekust ning ei sõltu protsessi vaheetappidest.
See tähendab, et järjestikuste reaktsioonide seeria kogutermiline efekt on sama, mis mis tahes muu reaktsiooniseeria oma, kui nende seeriate alguses ja lõpus on samad lähte- ja lõppained. Need kaks termokeemia põhiseadust annavad termokeemilistele võrranditele mõningase sarnasuse matemaatilistega, kui reaktsioonivõrrandis saab termineid ühest osast teise üle kanda, keemiliste ühendite valemeid termini kaupa liita, lahutada ja lühendada. Sel juhul on vaja arvestada reaktsioonivõrrandite koefitsiente ja mitte unustada, et aine liidetud, lahutatud või vähendatud moolid peavad olema samas agregatsiooniseisundis.
Soojusefekti rakendamine praktikas
Keemiliste reaktsioonide termiline mõju on vajalik paljude tehniliste arvutuste jaoks. Mõelgem näiteks Venemaa võimsale Energia raketile, mis on võimeline orbiidile saatma kosmoselaevu ja muid kasulikke koormaid. Selle ühe etapi mootorid töötavad veeldatud gaasidel - vesinikul ja hapnikul.
Oletame, et teame tööd (kJ), mis tuleb kulutada koormaga raketi toimetamiseks Maa pinnalt orbiidile, teame ka töid õhutakistuse ja muude energiakulude ületamiseks lennu ajal. Kuidas arvutada vajalikku vesiniku ja hapniku varu, mida (vedeldatud olekus) selles raketis kütusena ja oksüdeerijana kasutatakse?
Ilma vesinikust ja hapnikust vee moodustumise reaktsiooni termilise efektita on seda raske teha. Lõppude lõpuks on soojusefekt just see energia, mis peaks raketi orbiidile viima. Raketi põlemiskambrites muundatakse see soojus kuumade gaasimolekulide (auru) kineetiliseks energiaks, mis väljub düüsidest ja tekitab joa tõukejõu.
Keemiatööstuses on soojusefekte vaja selleks, et arvutada soojushulk kütta reaktoreid, milles toimuvad endotermilised reaktsioonid. Energeetikasektoris arvutatakse soojusenergia tootmine kütuse põlemissoojust kasutades.
Dietoloogid kasutavad toidu oksüdatsiooni termilisi mõjusid kehas, et koostada õiget dieeti mitte ainult patsientidele, vaid ka tervetele inimestele – sportlastele, erinevate elukutsete töötajatele. Traditsiooniliselt ei kasutata siin arvutustes mitte džaule, vaid muid energiaühikuid - kaloreid (1 cal = 4,1868 J). Toidu energiasisaldus viitab mõnele toiduainete massile: 1 g, 100 g või isegi toote standardpakendile. Näiteks kondenspiimapurgi sildilt saate lugeda järgmist kirja: "kalorite sisaldus 320 kcal / 100 g."
Soojusefekt arvutatakse asendatud aromaatsete amiinide klassi kuuluva monometüülaniliini vastuvõtmisel. Monometüülaniliini peamine kasutusala on bensiinidele mõeldud dekoputusvastane lisand. Värvainete tootmisel on võimalik kasutada monometüülaniliini. Kaubamonometüülaniliin (N-metüülaniliin) eraldatakse katalüsaadist perioodilise või pideva destilleerimisega. Reaktsiooni termiline efekt ∆Н= -14±5 kJ/mol.
Kuumuskindlad katted
Kõrgtemperatuuri tehnoloogia areng tingib vajaduse luua eriti kuumakindlaid materjale. Seda probleemi saab lahendada tulekindlate ja kuumakindlate metallide kasutamisega. Intermetallilised pinnakatted tõmbavad üha enam tähelepanu, kuna neil on palju väärtuslikke omadusi: vastupidavus oksüdatsioonile, agressiivsed sulamiskindlus, kuumakindlus jne. Huvitav on ka nende ühendite moodustumise märkimisväärne eksotermilisus nende koostisosadest. Reaktsiooni eksotermilisuse kasutamiseks intermetalliliste ühendite moodustamiseks on kaks võimalust. Esimene on kahekihiliste komposiitpulbrite tootmine. Kuumutamisel interakteeruvad pulbri komponendid ning eksotermilise reaktsiooni kuumus kompenseerib täielikult sulas olekus kaitstud pinnale jõudvate osakeste jahtumise, mis moodustavad madala poorsusega katte, mis on kindlalt alusele kleepunud. Teine võimalus oleks kasutada mehhaanilist pulbrite segu. Osakeste piisava kuumutamise korral interakteeruvad nad juba kattekihis. Kui termilise efekti suurus on märkimisväärne, võib see kaasa tuua kattekihi isesulamise, nakketugevust suurendava vahepealse difusioonikihi moodustumise ja tiheda, vähese poorsusega kattestruktuuri moodustumise. Kompositsiooni valimisel, mis moodustab suure termilise efektiga intermetallilise katte ja millel on palju väärtuslikke omadusi - korrosioonikindlus, piisav kuumakindlus ja kulumiskindlus, köidavad tähelepanu nikli aluminiidid, eriti NiAl ja Ni 3 Al. NiAl tekkega kaasneb maksimaalne termiline efekt.
Teemantide töötlemise termokeemiline meetod
"Termokeemiline" meetod sai oma nime tänu sellele, et see toimib kõrgel temperatuuril ja põhineb teemandi keemiliste omaduste kasutamisel. Meetod viiakse läbi järgmiselt: teemant viiakse kontakti metalliga, mis on võimeline süsinikku iseenesest lahustama, ja selleks, et lahustumis- või töötlemisprotsess jätkuks pidevalt, viiakse see läbi gaasiatmosfääris, mis interakteerub lahustunud süsinikuga. metallis, kuid ei reageeri otseselt teemandiga. Protsessi käigus omandab soojusefekti suurus kõrge väärtuse.
Teemandi termokeemilise töötlemise optimaalsete tingimuste väljaselgitamiseks ja meetodi võimaluste väljaselgitamiseks oli vaja uurida teatud keemiliste protsesside mehhanisme, mida, nagu näitas kirjanduse analüüs, ei ole üldse uuritud. Teemandi termokeemilise töötlemise täpsemat uurimist takistas ennekõike ebapiisav teadmine teemandi enda omadustest. Nad kartsid seda kuumaga rikkuda. Teemantide termilise stabiilsuse uuringuid on tehtud alles viimastel aastakümnetel. On kindlaks tehtud, et teemante, mis ei sisalda inklusioone neutraalses atmosfääris või vaakumis, saab neid kahjustamata kuumutada temperatuurini 1850 °C ja ainult kõrgemal.
Teemant on parim teramaterjal tänu oma ainulaadsele kõvadusele, vastupidavusele ja madalale hõõrdumisele bioloogiliste kudede suhtes. Teemantnugadega opereerimine hõlbustab operatsioone, vähendab sisselõigete paranemisaega 2-3 korda. Moskva silma mikrokirurgia teadus-tehnilise keskuse mikrokirurgide sõnul pole termokeemilisel meetodil teritatud noad mitte ainult mitte halvemad, vaid ka kvaliteetsemad kui parimad välismaised proovid. Termokeemiliselt teritatud noad on juba teinud tuhandeid operatsioone. Erineva konfiguratsiooni ja suurusega teemantnoad saab kasutada ka teistes meditsiini ja bioloogia valdkondades. Niisiis kasutatakse preparaatide valmistamiseks elektronmikroskoopias mikrotoome. Elektronmikroskoobi kõrge eraldusvõime seab proovikehade lõike paksusele ja kvaliteedile erinõuded. Termokeemilise meetodiga teritatud teemantmikrotoomid võimaldavad teil teha soovitud kvaliteediga lõike.
Tehnogeensed toorained tsemendi tootmiseks
Tsemenditootmise edasine intensiivistamine hõlmab erinevate tööstusharude jäätmeid kasutavate energia- ja ressursisäästlike tehnoloogiate laialdast kasutuselevõttu.
Skarni-magnetiitmaakide töötlemisel eraldub kuivmagnetseparatsiooni (SMS) aheraine, mis on killustikutaoline materjal, mille tera suurus on kuni 25 mm. CMC aheraine on üsna stabiilse keemilise koostisega, massiprotsenti:
SiO2 40…45,
Al 2 O 3 10…12,
Fe 2 O 3 15…17,
CaO 12…13,
MgO 5…6,
CMC aheraine kasutamise võimalus portlandtsemendi klinkri tootmisel on tõestatud. Saadud tsemente iseloomustavad kõrge tugevusomadused.
Klinkri moodustumise termiline efekt (TEC) on defineeritud kui endotermiliste protsesside (lubjakivi dekarboniseerumine, savimineraalide dehüdratsioon, vedelfaasi moodustumine) ja eksotermiliste reaktsioonide (CMC aheraine poolt sisse viidud püriidi oksüdatsioon, moodustumine) soojuste algebraline summa. klinkrifaasidest).
Skarn-magnetiidi maagi rikastamisjäätmete kasutamise peamised eelised tsemendi tootmisel on:
Toorainebaasi laiendamine tehnogeense allika arvelt;
Looduslike toorainete säästmine, säilitades samal ajal tsemendi kvaliteedi;
Kütuse- ja energiakulude vähendamine klinkri põletamisel;
Madala energiatarbega aktiivsete madala aluselise klinkri tootmise võimalus;
Keskkonnaprobleemide lahendamine jäätmete ratsionaalse kõrvaldamise ja klinkripõletamise ajal atmosfääri eralduvate gaaside vähendamise kaudu.
Biosensorid
Biosensorid on immobiliseeritud ensüümidel põhinevad andurid. Võimaldab kiiresti ja tõhusalt analüüsida keerulisi mitmekomponendilisi ainete segusid. Praegu kasutatakse neid üha enam mitmetes teadusharudes, tööstuses, põllumajanduses ja tervishoius. Ensümaatilise analüüsi automaatsete süsteemide loomise aluseks olid viimased saavutused ensümoloogia ja insener-ensümoloogia valdkonnas. Ensüümide ainulaadsed omadused – toime spetsiifilisus ja kõrge katalüütiline aktiivsus – aitavad kaasa selle analüüsimeetodi lihtsusele ja kõrgele tundlikkusele ning suur hulk seni tuntud ja uuritud ensüüme võimaldab analüüsitavate ainete loetelu pidevalt laiendada.
Ensümaatilised mikrokalorimeetrilised andurid – kasutavad ensümaatilise reaktsiooni termilist efekti. See koosneb kahest kolonnist (mõõtmine ja kontroll), mis on täidetud immobiliseeritud ensüümiga kandjaga ja varustatud termistoridega. Kui analüüsitud proov lastakse läbi mõõtekolonni, toimub keemiline reaktsioon, millega kaasneb registreeritud soojusefekt. Seda tüüpi andur on huvitav oma mitmekülgsuse poolest.
Järeldus
Niisiis võime pärast keemiliste reaktsioonide soojusefekti praktilise rakendamise analüüsimist järeldada, et soojusefekt on tihedalt seotud meie igapäevaeluga, seda pidevalt uuritakse ja praktikas leiab uusi rakendusi.
Kaasaegsete tehnoloogiate arenguga on soe efekt leidnud rakendust erinevates tööstusharudes. Keemia-, sõja-, ehitus-, toiduaine-, kaevandus- ja paljud teised tööstused kasutavad soojusefekti oma arendustes. Seda kasutatakse sisepõlemismootorites, külmutusseadmetes ja erinevates põlemisseadmetes, samuti kirurgiliste instrumentide, kuumakindlate katete, uut tüüpi ehitusmaterjalide jms tootmisel.
Pidevalt areneva teaduse kaasaegsetes tingimustes näeme tootmisvaldkonnas üha uusi arenguid ja avastusi. See toob kaasa üha uusi keemiliste reaktsioonide termilise efekti rakendusvaldkondi.
Tšernõh E. A.
Bibliograafia
Musabekov Yu. S., Marselin Berthelot, M., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929.
Patent 852586 Vene Föderatsioon. MKI V 28 D 5/00. Teemandi mõõtmete töötlemise meetod /A.P.Grigoriev, S.Kh.Lifshits, P.P.Shamaev (Vene Föderatsioon). - 2 s.
7. Arvutage reaktsiooni termiline efekt standardtingimustes: Fe 2 O 3 (t) + 3 CO (g) \u003d 2 Fe (t) + 3 CO 2 (g), kui moodustumise soojus: Fe 2 O 3 (t) \u003d - 821,3 kJ / mol; CO (g ) = – 110,5 kJ/mol;
CO 2 (g) \u003d - 393,5 kJ / mol.
Fe 2 O 3 (t) + 3 CO (g) \u003d 2 Fe (t) + 3 CO 2 (g),
Teades lähteainete ja reaktsioonisaaduste põlemisel tekkivaid standardseid soojusefekte, arvutame reaktsiooni soojusefekti standardtingimustes:
16. Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist. Van't Hoffi reegel. Reaktsiooni temperatuuritegur.
Ainult aktiivsete molekulide kokkupõrked viivad reaktsioonideni, mille keskmine energia ületab reaktsioonis osalejate keskmist energiat.
Teatud aktiveerimisenergia E edastamisel molekulidele (liigenergia üle keskmise), väheneb aatomite potentsiaalne interaktsiooni energia molekulides, sidemed molekulides nõrgenevad, molekulid muutuvad reaktiivseks.
Aktiveerimisenergiat ei pruugita saada väljastpoolt, seda saab molekulide mõnele osale edasi anda, jaotades energia ümber nende kokkupõrgete ajal. Boltzmanni järgi on N molekulide hulgas järgmine arv aktiivseid molekule N suurenenud energiaga :
N N e – E / RT
kus E on aktiveerimisenergia, mis näitab vajalikku energia ülejääki võrreldes keskmise tasemega, mis molekulidel peab olema, et reaktsioon saaks võimalikuks; ülejäänud nimetused on hästi teada.
Termilise aktiveerimise ajal kahel temperatuuril T 1 ja T 2 on kiiruskonstantide suhe:
, (2)
, (3)
mis võimaldab määrata aktiveerimisenergiat, mõõtes reaktsioonikiirust kahel erineval temperatuuril T 1 ja T 2 .
Temperatuuri tõus 10 0 võrra suurendab reaktsiooni kiirust 2–4 korda (ligikaudne van't Hoffi reegel). Arvu, mis näitab, mitu korda suureneb reaktsiooni kiirus (ja seega kiiruskonstant) temperatuuri tõusuga 10 0 võrra, nimetatakse reaktsiooni temperatuurikoefitsiendiks:
(4)
.(5)
See tähendab näiteks, et temperatuuri tõusuga 100 0 võrra tavapäraselt aktsepteeritud keskmise kiiruse 2-kordse suurenemise korral ( = 2) suureneb reaktsioonikiirus 2 10 võrra, s.o. ligikaudu 1000 korda ja kui = 4 - 4 10, s.o. 1000000 korda. Van't Hoffi reegel on rakendatav reaktsioonide puhul, mis toimuvad suhteliselt madalatel temperatuuridel kitsas vahemikus. Reaktsioonikiiruse järsk tõus temperatuuri tõusuga on seletatav asjaoluga, et aktiivsete molekulide arv suureneb eksponentsiaalselt.
25. Van't Hoffi keemilise reaktsiooni isotermi võrrand.
Vastavalt meelevaldse reaktsiooni massitegevuse seadusele
ja A + bB = cC + dD
Otsese reaktsiooni kiiruse võrrandi saab kirjutada:
,
ja pöördreaktsiooni kiiruse jaoks:
.
Kui reaktsioon kulgeb vasakult paremale, vähenevad ainete A ja B kontsentratsioonid ning edasisuunalise reaktsiooni kiirus. Teisest küljest, kui reaktsioonisaadused C ja D kogunevad, suureneb reaktsiooni kiirus paremalt vasakule. Saabub hetk, mil kiirused υ 1 ja υ 2 muutuvad samaks, kõigi ainete kontsentratsioonid jäävad muutumatuks, seetõttu
,Kus K c = k 1 / k 2 =
.
Konstantväärtus K c, mis on võrdne otse- ja pöördreaktsiooni kiiruskonstantide suhtega, kirjeldab kvantitatiivselt tasakaaluseisundit lähteainete tasakaalukontsentratsioonide ja nende vastasmõju produktide kaudu (nende stöhhiomeetriliste koefitsientide kaudu) ja nimetatakse tasakaalukonstandiks. Tasakaalukonstant on konstantne ainult antud temperatuuril, s.t.
K c \u003d f (T). Keemilise reaktsiooni tasakaalukonstanti väljendatakse tavaliselt suhtena, mille lugeja on reaktsioonisaaduste molaarsete tasakaalukontsentratsioonide korrutis ja nimetaja lähteainete kontsentratsioonide korrutis.
Kui reaktsiooni komponendid on ideaalsete gaaside segu, väljendatakse tasakaalukonstanti (K p) komponentide osarõhkude kaudu:
.
K p-lt K-le üleminekuks kasutame oleku võrrandit P · V = n · R · T. Kuna
, siis P = C·R·T. .Võrrandist järeldub, et K p = K s eeldusel, et reaktsioon kulgeb ilma gaasifaasis olevate moolide arvu muutmiseta, s.o. kui (c + d) = (a + b).
Kui reaktsioon kulgeb spontaanselt konstantse P ja T või V ja T juures, siis saab selle reaktsiooni väärtusedG ja F saada võrranditest:
,
kus C A, C B, C C, C D on lähteainete ja reaktsioonisaaduste mittetasakaalulised kontsentratsioonid.
,kus P A, P B, P C, P D on lähteainete ja reaktsioonisaaduste osarõhud.
Kaht viimast võrrandit nimetatakse van't Hoffi keemilise reaktsiooni isotermi võrranditeks. See seos võimaldab arvutada reaktsiooni G ja F väärtused, määrata selle suuna lähteainete erinevatel kontsentratsioonidel.
Tuleb märkida, et nii gaasisüsteemide kui ka lahuste puhul, milles reaktsioonis osalevad tahked ained (st heterogeensete süsteemide puhul), ei sisaldu tahke faasi kontsentratsioon tasakaalukonstandi avaldises, kuna see kontsentratsioon on praktiliselt konstantne. Nii et reaktsiooni jaoks
2 CO (g) \u003d CO 2 (g) + C (t)
tasakaalukonstant kirjutatakse kujul
.Tasakaalukonstandi sõltuvust temperatuurist (temperatuuri T 2 puhul temperatuuri T 1 suhtes) väljendatakse järgmise van't Hoffi võrrandiga:
,
kus Н 0 on reaktsiooni termiline efekt.
Endotermilise reaktsiooni korral (reaktsioon kulgeb soojuse neeldumisega) suureneb tasakaalukonstant temperatuuri tõustes, süsteem justkui peab kuumenemisele vastu.
34. Osmoos, osmootne rõhk. Van't Hoffi võrrand ja osmootne koefitsient.
Osmoos on lahusti molekulide spontaanne liikumine läbi poolläbilaskva membraani, mis eraldab erineva kontsentratsiooniga lahused madalama kontsentratsiooniga lahusest kõrgema kontsentratsiooniga lahusesse, mis viib viimase lahjendamiseni. Poolläbilaskva membraanina, millest väikestest aukudest pääsevad valikuliselt läbi vaid väikesed lahustimolekulid ja säilivad suured või solvateerunud molekulid või ioonid, kasutatakse sageli tsellofaankilet – suure molekulmassiga ainete puhul ja madala molekulmassiga – kilet. vaskferrotsüaniidist. Lahusti ülekande (osmoosi) protsessi saab ära hoida, kui suurema kontsentratsiooniga lahusele rakendatakse välist hüdrostaatilist rõhku (tasakaalutingimustes on selleks nn osmootne rõhk, mida tähistatakse tähega ). väärtuse arvutamiseks mitteelektrolüütide lahustes kasutatakse empiirilist Van't Hoffi võrrandit:
kus C on aine molaarne kontsentratsioon, mol/kg;
R on universaalne gaasikonstant, J/mol K.
Osmootse rõhu väärtus on võrdeline antud lahuse mahus lahustunud ühe või mitme aine molekulide arvuga (üldjuhul osakeste arvuga) ega sõltu nende olemusest ega lahusti olemusest. Tugevate või nõrkade elektrolüütide lahustes suureneb üksikute osakeste koguarv molekulide dissotsiatsiooni tõttu, seetõttu on vaja osmootse rõhu arvutamise võrrandisse lisada vastav proportsionaalsuskoefitsient, mida nimetatakse isotooniliseks koefitsiendiks.
i C R T,
kus i on isotooniline koefitsient, mis arvutatakse ioonide ja dissotsieerumata elektrolüüdi molekulide arvu ja selle aine molekulide esialgse arvu suhtena.
Niisiis, kui elektrolüütide dissotsiatsiooni aste, st. ioonideks lagunenud molekulide arvu suhe lahustunud aine molekulide koguarvusse on ja elektrolüüdi molekul laguneb n ioonideks, siis arvutatakse isotooniline koefitsient järgmiselt:
i = 1 + (n – 1) ,(i > 1).
Tugevate elektrolüütide puhul võite võtta = 1, siis i = n ja koefitsienti i (samuti suurem kui 1) nimetatakse osmootseks koefitsiendiks.
Osmoosi nähtus on taime- ja loomaorganismide jaoks väga oluline, kuna nende rakkude membraanidel on paljude ainete lahuste suhtes poolläbilaskva membraani omadused. Puhtas vees rakk paisub tugevalt, mõnel juhul kuni kesta purunemiseni, kõrge soolakontsentratsiooniga lahustes aga vastupidi, suure veekao tõttu väheneb ja kahaneb. Seetõttu lisatakse toiduainete säilitamisel neile suures koguses soola või suhkrut. Mikroorganismide rakud kaotavad sellistes tingimustes märkimisväärse koguse vett ja surevad.
Kõikide keemiliste protsessidega, aga ka mitmete ainete füüsikaliste transformatsioonidega (aurustumine, kondenseerumine, sulamine, polümorfsed muundumised jne) kaasneb alati süsteemide siseenergia muutus. Termokeemia - See on keemia haru, mis uurib soojushulga muutumist protsessi käigus. Üks termokeemia rajajaid on vene teadlane G. I. Hess.
Keemilise reaktsiooni termiline mõju on keemilise reaktsiooni käigus vabanev või neeldunud soojus. Keemilise reaktsiooni standardne termiline efekt on standardtingimustes keemilise reaktsiooni käigus vabanev või neeldunud soojus. Kõik keemilised protsessid võib jagada kahte rühma: eksotermilised ja endotermilised.
eksotermiline on reaktsioonid, mille käigus eraldub keskkonda soojust. Sel juhul on algainete siseenergia varu (U 1) suurem kui saadud produktid (U 2). Seetõttu ∆U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.
Endotermiline Need on reaktsioonid, mille käigus neeldub keskkonnast soojus. Sel juhul on lähteainete siseenergia varu (U 1) väiksem kui saadud produktide (U 2) varu. Järelikult ∆U > 0 ja see viib termodünaamiliselt ebastabiilsete ainete moodustumiseni. Erinevalt termodünaamikast loetakse termokeemias eraldunud soojust positiivseks ja neeldunud soojust negatiivseks. Soojust tähistatakse termokeemias Q-ga. Soojusühik on J/mol või kJ/mol. Olenevalt protsessi tingimustest on isohoorilised ja isobaarsed termilised efektid.
isokooriline (Q V) termiline efekt on soojushulk, mis eraldub või neeldub antud protsessi käigus konstantsel mahul (V \u003d const) ning lõpp- ja algoleku võrdsetel temperatuuridel (T 1 \u003d T 2).
Isobaarne (Q p) termiline efekt on soojushulk, mis eraldub või neeldub antud protsessi käigus konstantsel rõhul (p \u003d const) ning lõpp- ja algoleku võrdsetel temperatuuridel (T 1 \u003d T 2).
Vedelate ja tahkete süsteemide puhul on ruumala muutus väike ja võib eeldada, et Q p » Q V . Gaasiliste süsteemide jaoks
Q р = Q V – ∆nRT, (4.3)
kus ∆n on reaktsioonis gaasiliste osalejate moolide arvu muutus
∆n = ån cont. reaktsioonid – ån ref. ained. (4.4)
Kõigil juhtudel toimub osa sisemisest (keemilisest) energiast soojuslikuks (või muudeks liikideks) ja vastupidi termilise keemiliseks muutmine ranges kooskõlas energia jäävuse seaduse ja termodünaamika esimese seadusega.
Termokeemias on tavaks kasutada termokeemilised võrrandid need on keemiliste reaktsioonide võrrandid, milles võrrandi vasakul poolel on toodud lähteained ja paremal pool reaktsiooniproduktid pluss (või miinus), soojusefekt ning ainete agregaatolek ja näidatud on ka nende kristalsed vormid. Näiteks,
C grafiit + O 2 \u003d CO 2 (g) + 393,77 kJ
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O (l) + 289,95 kJ
C (teemant) + 2S (romb) \u003d CS 2 (g) - 87,9 kJ
Termokeemiliste võrrandite abil saate sooritada kõiki algebralisi tehteid: liita, lahutada, korrutada, liikmeid üle kanda jne.
Paljude keemiliste ja füüsikaliste protsesside termilised mõjud määratakse empiiriliselt (kalorimeetria) või arvutatakse teoreetiliselt, kasutades teatud keemiliste ühendite tekke- (lagunemis-) ja põlemissoojuseid.
Hariduse kuumus antud ühendi kohta on soojushulk, mis vabaneb või neeldub selle 1 mooli moodustumisel lihtainetest kJ. Standardtingimustes stabiilses olekus olevate lihtainete moodustumise kuumused võetakse nulliks. Reaktsioonides
K (tv) + 1/2Cl (g) = KS1 (tv) + 442,13 kJ
C (tv) + 1/2H2 (g) + 1/2N (g) = HCN (g) - 125,60 kJ
termilised efektid 442,13 kJ ja -125,60 kJ on vastavalt KCl ja HCN tekkesoojused. Lagunemissoojused nendest ühenditest lihtaineteks on energia jäävuse seaduse järgi absoluutväärtuselt võrdsed, kuid märgilt vastupidised, st KCl puhul on lagunemissoojus -442,13 kJ ja HCN puhul +125,60 kJ.
Mida rohkem soojust eraldub ühendi tekkimisel, seda rohkem soojust tuleb selle lagundamiseks kulutada ning seda tugevam on antud ühend tavatingimustes. Keemiliselt stabiilsed ja vastupidavad ained on: SiO 2, A1 2 O 3, P 2 O 5, KCl, NaCl jne. Soojuse neeldumisel tekkivad ained ei ole eriti stabiilsed (näiteks NO, CS 2, C 2 H 2, HCN ja kõik lõhkeained). Orgaaniliste ühendite moodustumise kuumusi ei saa katseliselt määrata. Need arvutatakse teoreetiliselt nende ühendite empiiriliselt leitud kütteväärtuste väärtuste põhjal.
Põlemissoojus Soojust, mis vabaneb 1 mooli aine täielikul põlemisel hapnikuvoolus, nimetatakse. Põlemissoojused määratakse kalorimeetrilisel agregaadil, mille põhiosad on: hapnikuballoon, kalorimeetriline pomm, kalorimeeter koos kaalutud veekoguse ja segistiga ning elektriline süüteseade.
Keemiliste reaktsioonide soojusmõjude suurus sõltub paljudest teguritest: reageerivate ainete olemusest, alg- ja lõppainete agregatsiooniseisundist, reaktsioonitingimustest (temperatuur, rõhk, süsteemi maht, kontsentratsioon).