Термохимия и калориметрия

Термохимия количественно определяет теплоту, поглощаемую или выделяемую химическими реакциями, а калориметрия — это экспериментальное искусство измерения этой теплоты для получения энтальпий реакций и теплоемкостей.

Definition

Термохимия — это изучение теплоты, выделяющейся или поглощающейся в химических реакциях и фазовых переходах, а калориметрия — это совокупность экспериментальных методов, которые измеряют эти теплоты и теплоемкости веществ.

Scope

Эта тема охватывает изменения теплоты, сопровождающие химические реакции: стандартные энтальпии образования, сгорания и реакции; закон Гесса о постоянстве сумм теплот; температурную зависимость энтальпии реакции через закон Кирхгофа; и энергии связей. Она охватывает калориметрические методы, используемые для измерения этих величин, включая бомбовую калориметрию и калориметрию постоянного давления, а также дифференциальную сканирующую калориметрию, наряду с измерением теплоемкости. Статистико-механическое предсказание теплоемкостей рассматривается в рамках статистической термодинамики.

Core questions

• Как закон Гесса позволяет комбинировать энтальпии реакций из табличных энтальпий образования?
• Как закон Кирхгофа описывает температурную зависимость энтальпии реакции?
• Как бомбовые калориметры и калориметры постоянного давления измеряют изменения внутренней энергии и энтальпии?
• Как энергии связей используются для оценки энтальпий реакций?

Key concepts

• Стандартные энтальпии образования и реакции
• Закон Гесса о постоянстве сумм теплот
• Закон Кирхгофа и теплоемкость
• Бомбовая калориметрия и калориметрия постоянного давления
• Энергии связей

Key theories

Закон Гесса

Поскольку энтальпия является функцией состояния, изменение энтальпии реакции одинаково независимо от пройденного пути, поэтому энтальпии реакций можно складывать и вычитать из табличных стандартных энтальпий образования.

Закон Кирхгофа о температурной зависимости

Изменение энтальпии реакции с температурой определяется разницей в теплоемкостях между продуктами и реагентами, что позволяет корректировать энтальпии, измеренные при одной температуре, к другой.

Clinical relevance

Термохимия и калориметрия предоставляют значения теплотворной способности и теплоты реакций, необходимые для энергетики и инженерии сгорания, термические данные для безопасности процессов и реакторов, энергетику стабильности и сворачивания, измеряемую дифференциальной сканирующей и изотермической титрационной калориметрией в биохимии, а также пищевую энергетическую ценность продуктов.

History

Калориметрия началась с ледяного калориметра Лавуазье и Лапласа в 1780-х годах; Гесс установил аддитивность теплот реакций в 1840 году, а бомбовая калориметрия Бертело в XIX веке сделала систематическое измерение энтальпий сгорания и образования основой физической химии.

Key figures

• Germain Henri Hess
• Antoine Lavoisier
• Marcellin Berthelot

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

В чем разница между бомбовым калориметром и калориметром постоянного давления?

Бомбовый калориметр поддерживает реакцию при постоянном объеме и измеряет изменение внутренней энергии, в то время как калориметр постоянного давления, открытый для атмосферы, непосредственно измеряет изменение энтальпии; эти два параметра связаны работой, совершаемой против давления при расширении или сжатии газов.

Почему энтальпии образования определяются относительно элементов?

Абсолютные энтальпии не могут быть измерены, поэтому необходима точка отсчета; присвоение нулевой энтальпии образования элементам в их стандартных состояниях обеспечивает согласованную базовую линию, из которой может быть вычислена энтальпия образования любого соединения, а следовательно, и любая энтальпия реакции.