Тепловой ефект хімічної реакції та її практичне застосування

1. Тепловий ефект хімічної реакции.

1.1. Рівняння хімічних реакций.

1.2. Основні закони термохимии.

2. Застосування теплового ефекту на практике.

2.1.Жаропрочные покрытия.

2.2.Термохимический спосіб обробки алмаза.

2.3.Техногенное сировину для цемента.

2.4. Биосенсоры.

Заключение

.

Теплові ефекти хімічних реакцій необхідні багатьох технічних розрахунків. Вони знаходять велике застосування в багатьох галузях промисловості, соціальній та військових разработках.

Метою згаданої курсової роботи є підставою вивчення практичного застосування теплового ефекту. Ми розглянемо деякі варіанти її використання, і з’ясуємо наскільки важливе використання теплових ефектів хімічних реакцій за умов розвитку сучасних технологий.

1. Тепловий ефект хімічної реакции.

У кожному речовині запасено певну кількість енергії. З цією властивістю речовин ми бачимо за сніданком, обідом чи вечерею, оскільки продуктів харчування дозволяють нашому організму використати енергію найрізноманітніших хімічних сполук, які у їжі. У організмі цю енергію перетворюється на рух, роботу, йде підтримку постійної (і досить високою!) температури тела.

Однією з найбільш відомих учених, що працюють у області термохимии, є Бертло. Бертлопрофесор хімії Вищої фармацевтичної школи Парижі (1859г). Міністр освіти і закордонних дел.

Починаючи з 1865 Бертло активно займався термохимией, провів великі калориметричні дослідження, що призвели, зокрема, до винаходу «калориметрической бомби «(1881); йому належать поняття «экзотермической «і «эндотермической «реакцій. Бертло отримані великі даних про теплових ефекти величезної кількості реакцій, швидше про теплоту розкладу і освіти багатьох веществ.

Бертло досліджував дію вибухових речовин: температуру вибуху, швидкості згоряння поширення вибуховий хвилі і др.

Енергія хімічних сполук зосереджена головним чином хімічних зв’язках. Щоб зруйнувати зв’язок між двома атомами, потрібно затратити енергію. Коли хімічна зв’язок утворюється, енергія выделяется.

Будь-яка хімічна реакція залежить від розриві одних хімічних зв’язків й освіті других.

Коли результаті хімічної реакції при освіті нових зв’язків виділяється енергії більше, ніж знадобилося для руйнації «старих «зв'язків у вихідних речовинах, то надлишок енергії вивільняється як тепла. Прикладом можуть бути реакції горіння. Наприклад, природного газу (метан CH4) згоряє в кисні повітря з великої кількості теплоти (рис. 1а). Такі реакції є экзотермическими.

* Реакції, що проходять із виділенням теплоти, виявляють позитивний парниковий ефект (Q>0, DH.

За інших випадках на руйнація зв’язків у вихідних речовинах потрібно енергії більше, що може виділитися при освіті нових зв’язків. Такі реакції відбуваються лише за підводі енергії ззовні й називаються эндотермическими.

* Реакції, які тривають від поглинанням теплоти із довкілля (Q0), тобто. з негативним тепловим ефектом, є эндотермическими.

Прикладом є освіту оксиду вуглецю (II) CO і водню H2 з вугілля й води, що відбувається лише за нагріванні (рис. 1б).

Рис. 1а.

Рис. 1б.

Рис. 1а, б. Зображення хімічних реакцій з допомогою моделей молекул: а) экзотермическая реакція, б) ендотермічна реакція. Моделі наочно показують, як із незмінному числі атомів з-поміж них руйнуються давні листи й з’являються нові хімічні связи.

Отже, будь-яка хімічна реакція супроводжується виділенням чи поглинанням енергії. Найчастіше енергія виділяється чи поглинається як теплоти (рідше — у вигляді світлового чи механічної енергії). Цю теплоту можна виміряти. Результат виміру висловлюють в килоджоулях (кДж) на одне моля реагенту чи (рідше) для моля продукту реакції. Така величина називається тепловим ефектом реакции.

* Тепловий ефект — кількість теплоти, выделившееся чи поглинений хімічної системою при протікання у ній хімічної реакции.

Тепловий ефект позначається символами Q чи DH (Q = -DH). Його розмір відповідає різниці між енергіями вихідного й кінцевого станів реакции:

DH = Hкон.- Hисх. = Eкон.- Eисх.

Значки (р), (ж) позначають газоподібне і ліквідність речовин. Зустрічаються також позначення (тв) чи (до) — тверде, кристалічний речовина, (водн) — розчинене у питній воді речовина і т.д.

Позначення агрегатного стану речовини має важливого значення. Наприклад, у реакції згоряння водню спочатку утворюється вода як пара (газоподібне стан), при конденсації якого не може виділитися ще певна кількість енергії. Отже, для освіти води як рідини обмірюваний парниковий ефект реакції буде трохи більше, ніж для освіти лише кілька, оскільки за конденсації пара виділиться ще порція теплоты.

Використовується також окреме питання теплового ефекту реакції - теплота згоряння. Із самої назви видно, що теплота згоряння служить для характеристики речовини, які у яких як паливо. Теплоту згоряння належать до 1 благаю речовини, що є паливом (восстановителем у реакції окислення), например:

C2H2 + 2,5 O2 = 2 CO2 + H2O + 1300 кДж.

ацетилен теплота згоряння ацетилена.

Запасену в молекулах енергію (Є) можна відкласти на енергетичної шкалою. І тут парниковий ефект реакції (? Є) можна показати графічно (рис. 2).

Рис. 2. Графічне зображення теплового ефекту (Q =? Є): а) экзотермической реакції горіння водню; б) эндотермической реакції розкладання води під впливом електричного струму. Координату реакції (горизонтальну вісь графіка) так можна трактувати, наприклад, як ступінь перетворення речовин (100% - повне перетворення вихідних веществ).

1.1. Рівняння хімічних реакций.

* Рівняння хімічних реакцій, у яких разом із реагентами і продуктами записано й теплової ефект реакції, називаються термохимическими уравнениями.

Особливість термохімічних рівнянь у тому, що з працювати з ними можна переносити формули речовин і величини теплових ефектів з частині рівняння до іншої. З звичайними рівняннями хімічних реакцій так надходити, зазвичай, нельзя.

Допускається також почленное складання і віднімання термохімічних рівнянь. Це треба задля визначення теплових ефектів реакцій, які важко чи неможливе виміряти в опыте.

Наведемо приклад. У лабораторії надзвичайно складно здійснити «в чистому вигляді «реакцію отримання метану СH4 шляхом прямого сполуки вуглецю з водородом:

З + 2 H2 = СH4.

Але й багато чого довідатися про цю реакції з допомогою обчислень. Наприклад, з’ясувати, буде ця реакція экзочи эндотермической, і навіть кількісно розрахувати величину теплового эффекта.

Відомі теплові ефекти реакцій горіння метану, вуглецю і водню (ці реакції йдуть легко):

а) СH4(г) + 2 O2(г) = СO2(г) + 2 H2О (ж) + 890 кДж.

б) С (тв) + O2(г) = СO2(г) + 394 кДж.

у два H2(г) + O2(г) = 2 H2О (ж) + 572 кДж.

Віднімемо останні двоє рівняння (б) і (в) з рівняння (а). Ліві частини рівнянь будемо вичитати з лівої, праві - з правої. У цьому скоротяться все молекули O2, СO2 і H2О. Получим:

СH4(г) — С (тв) — 2 H2(г) = (890 — 394 — 572) кДж = -76 кДж.

Це рівняння видається трохи незвично. Помножимо обидві частини рівняння на (-1) і перенесемо CH4 в праву частину з зворотним знаком. Одержимо потрібне нам рівняння освіти метану з вугілля й водорода:

С (тв) + 2 H2(г) = CH4(г) + 76 кДж/моль.

Отже, наші розрахунки показали, що парниковий ефект освіти метану з вуглецю і водню становить 76 кДж (на міль метану), причому цей процес повинен бути экзотермическим (енергія у цій реакції буде выделяться).

Важливо брати до уваги те, що почленно складати, вичитати і скорочувати в термохімічних рівняннях можна тільки речовини, перебувають у однакових агрегатних станах, інакше ми помилимося у визначенні теплового ефекту на величину теплоти переходу із одного агрегатного стану в другое.

1.2. Основні закони термохимии.

* Розділ хімії, займається вивченням перетворення енергії в хімічних реакціях, називається термохимией.

Існує дві найважливіших закону термохимии. Перший, закон Лавуазье-Лапласа, формулюється наступним образом:

* Тепловий ефект прямий реакції завжди дорівнює тепловому ефекту зворотної реакції з протилежним знаком.

Це означає, що з освіті будь-якого сполуки виділяється (поглинається) стільки ж енергії, скільки поглинається (виділяється) за його розпаді на вихідні речовини. Например:

2 H2(г) + O2(г) 2 H2О (ж) + 572 кДж (горіння водню в кислороде).

2 H2О (ж) + 572 кДж = 2 H2(г) + O2(г) (розкладання води електричним током).

Закон Лавуазье-Лапласа є наслідком закону збереження энергии.

Другий закон термохимии було сформульовано в 1840 р російським академіком Р. І. Гессом:

* Тепловий ефект реакції залежить від початкового й кінцевого стану речовин та залежною від проміжних стадій процесса.

Це означає, що «загальний парниковий ефект низки послідовних реакцій буде так ж, як і в іншого низки реакцій, якщо на початку і наприкінці цих рядів одні й самі вихідні і кінцеві речовини. Ці дві основних закону термохимии надають термохимическим рівнянням деяке схожість із математичними, як у рівняннях реакцій можна переносити члени з частині до іншої, почленно складати, вичитати і скорочувати формули хімічних сполук. У цьому необхідно враховувати коефіцієнти в рівняннях реакцій і забувати у тому, що складываемые, вычитаемые чи сокращаемые молі речовини має перебувати в однаковому агрегатному состоянии.

2. Застосування теплового ефекту на практике.

Теплові ефекти хімічних реакцій потрібні багатьом технічних розрахунків. Наприклад, розглянемо потужну російську ракету «Енергія », здатну виводити на орбіту космічні кораблі та інші корисні вантажі. Двигуни одній з її щаблів працюють на скраплених газах — водні і кислороде.

Припустимо, нам відома робота (в кДж), яку доведеться витратити для доставки ракети із вантажем із поверхні Землі до орбіти, відомий також робота з подоланню опору повітря та інші витрати енергії під час польоту. Як розрахувати необхідний запас водню і кисню, які (в скрапленому стані) використовують у цієї ракеті як паливо і окислителя?

Без допомоги теплового ефекту реакції освіти води з водню і кисню зробити це важко. Адже парниковий ефект — і є той самий енергія, які мають вивести ракету на орбіту. У камерах згоряння ракети ця теплота перетворюється на кінетичну енергію молекул розпеченого газу (пара), який виривається з сопла і це створює реактивну тягу.

У хімічної промисловості теплові ефекти потрібні до розрахунку кількості теплоти для нагрівання реакторів, у яких йдуть эндотермические реакції. У енергетиці з допомогою теплот згоряння палива розраховують вироблення теплової энергии.

Лікарі-дієтологи використовують теплові ефекти окислення продуктів харчування в організмі упорядкування правильних раціонів харчування як для хворих, але й здорових людей — спортсменів, працівників різноманітних професій. За традицією для розрахунків тут використовують не джоули, інші енергетичні одиниці - калорії (1 кал = 4,1868 Дж). Енергетичне зміст їжі належать до який-небудь масі продуктів харчування: до 1 р, до 100 р або до стандартної упаковці продукту. Наприклад, на етикетці баночки зі згущеним молоком можна прочитати таку напис: «калорійність 320 ккал/100 р » .

Тепловий ефект розраховується і при отриманні монометиланилина, яка ставиться до класу замещенных ароматичних амінів. Основна сферу застосування монометиланилина — антидетонационная ад’ювантна для бензинів. Можливо використання монометиланилина у виробництві барвників. Товарний монометиланилин (N-метиланилин) виділяється з катализата методом періодичної чи безупинної ректифікації. Тепловий ефект реакції ?М= -14±5 кДж/моль.

2.1.Жаропрочные покрытия.

Розвиток техніки високих температур зумовлює необхідність створення особливо жароміцних матеріалів. Це завдання може бути розв’язана шляхом використання тугоплавких і жароміцних металів. Интерметаллические покриття приваблюють все більшої уваги, оскільки мають багатьма цінними якостями: стійкістю до окислювання, агресивними расплавами, жаропрочностью тощо. Викликає зацікавлення і істотна экзотермичность освіти цих з'єднання з складових елементів. Можливі два способу використання экзотермичности реакції освіти интерметаллидов. Перший — отримання композитних, двошарових порошків. При нагріванні компоненти порошку вступають у взаємодія, і тепло экзотермической реакції компенсують остигання частинок, що сягають защищаемой поверхні у цілком розплавленому безпечному стані й їхнім виокремленням малопористое міцно сцеплённое з основою покриття. Іншим варіантом то, можливо нанесення механічної суміші порошків. При достатньому нагріванні частинок вона вступає у взаємодія вже у шарі покриття. Якщо величина теплового ефекту значна, це можуть призвести до самопроплавлению шару покриття, освіті проміжного диффузионного шару, підвищує міцність зчеплення, отримання щільною, малопористой структури покриття. Пpи виборі композиції, котра утворює интерметаллидное покриття з великим тепловим ефектом і що має багатьма цінними якостями — коррозионной стійкістю, достатньої жаропрочностью і зносостійкості, привертає увагу алюминиды нікелю, зокрема NiAl і Ni3Al. Освіта NiAl супроводжується максимальним тепловим эффектом.

2.2.Термохимический спосіб обробки алмаза.

Свою назву «термохимический «спосіб отримав тому, що протікає він пройшов за підвищених температурах, а основі його лежить використання хімічних властивостей алмазу. Здійснюється спосіб так: алмаз викликають контакти з металом, здатним розчиняти у собі вуглець, а здобуття права процес розчинення чи обробки йшов безупинно, його проводять у атмосфері газу, взаємодіє з розчиненим в металі вуглецем, але з реагує безпосередньо з алмазом. У процесі величина теплового ефекту приймає високе значение.

Для визначення оптимальних умов проведення термохимической обробки алмазу і виявлення можливостей способу знадобилося вивчити механізми певних хімічних процесів, які, як засвідчило аналіз літератури, взагалі досліджувалися. Більше конкретному вивченню термохимической обробки алмазу заважало, передусім, недостатнє знання властивостей самого алмазу. Побоювалися зіпсувати його нагріванням. Дослідження з термічної стійкості алмазу було виконано лише останні десятиліття. Встановлено, що алмази, які містять включень, в нейтральній атмосфері чи вакуумі можна це без будь-якого їм шкоди нагріти до 1850 «З», і лише выше.

Алмаз кращий матеріалом для леза завдяки унікальної твердості, пружності і низькому тертю по біологічним тканинам. Оперування алмазними ножами полегшує проведення операцій, скорочує в 2−3 разу терміни загоєння розрізів. На думку мікрохірургів МНТК мікрохірургії ока, ножі, ув’язнені термохимическим способом, як не поступаються, а й перевершують за якістю найкращі закордонні зразки. Термохимически заточеними ножами вже зроблено тисячі операцій. Діамантові ножі різною конфігурації і дрібних розмірів можна застосовувати та інших областях медицини, біології. Так, виготовлення препаратів в електронної мікроскопії використовують микротомы. Висока що дозволяє здатність електронного мікроскопа пред’являє особливі вимоги до товщині і якістю зрізу препаратів. Діамантові микротомы, ув’язнені термохимическим методом, дозволяють виготовляти зрізи потрібного качества.

2.3. Техногенне сировину для цемента.

Подальша інтенсифікація цементного виробництва передбачає широке впровадження енергоі ресурсозберігаючих технологій, з використанням відходів різних отраслей.

При переробці скарново-магнетитовых руд виділяються хвости сухий магнітної - сепарації (СМЗ), які становлять щебневидный матеріал з розміром зерен до 25 мм. Хвости СМЗ мають досить стабільний хімічний склад, мас.%: SiO2 40…45, Al 2O3 10…12, Fe2O3 15…17, CaO 12…13, MgO 5…6, P. S 2…3, R2O 2…4. Доведена зокрема можливість використання хвостів СМЗ у виробництві портландцементного клінкеру. Отримані цементи характеризуються високими прочностными показателями.

Тепловий ефект клинкерообразования (ПЕК) визначений алгебраїчна сума теплот эндотермических процесів (декарбонизация вапняку, дегидратация мінералів глини, освіту рідкої фази) і екзотермічних реакцій (окислювання піриту, внесеного хвостами СМЗ, формування клинкерных фаз).

Основними перевагами використання відходів збагачення скарново-магнетитовых руд у виробництві цементу являются:

— розширення сировинної бази з допомогою техногенного источника;

— економія природного сировини за збереження якості цемента;

— зниження паливно-енергетичних витрат за випал клинкера;

— можливість випуску малоэнергоемких активних низкоосновных клинкеров;

— вирішить екологічні проблеми з допомогою раціональної утилізації відходів та скорочення газових викидів у повітря при випалюванні клинкера.

2.4. Биосенсоры.

Біосенсори — датчики з урахуванням іммобілізованих ферментів. Дозволяють швидко і здатні якісно аналізувати складні, багатокомпонентні суміші речовин. Нині знаходять дедалі більше широке використання у цілий ряд галузей науки, промисловості, сільського господарства й охорони здоров’я. Основу автоматичних систем ферментативного аналізу послужили останні досягнення у галузі энзимологии і інженерної энзимологии. Унікальні якості ферментів — специфічність дії та висока каталитическая активність — сприяють простоті і високої чутливості цього аналітичного методу, а дуже багато визначних акторів і вивчених нині ферментів дозволяють постійно розширювати список аналізованих веществ.

Ферментні микрокалориметрические датчики — використовують парниковий ефект ферментативної реакції. Вона складається з двох колонок (вимірювальної і контрольної), заповнених носієм з иммобилизованным ферментом і споряджених термисторами. При пропущенні через вимірювальну колонку аналізованого зразка відбувається хімічна реакція, що супроводжується регистрируемым тепловим ефектом. Цей тип датчиків цікаве своєю универсальностью.

Заключение

.

Отже, провівши аналіз практичного застосування теплового ефекту хімічних реакцій, можна дійти невтішного висновку: парниковий ефект впритул пов’язані з нашому повсякденному життям, він піддається постійному дослідженню і знаходить нові застосування на практике.

У разі розвитку сучасних технологій теплою ефект знайшов застосування у різних галузях. Хімічна, військова, будівельна, харчова, гірничодобувна і ще галузі використовують парниковий ефект у своїх розробках. Він застосовується у двигунах внутрішнього згоряння, холодильних установках й у різноманітних топочных пристроях, соціальній та виробництві хірургічних приладів, жароміцних покриттів, нові види будівельних матеріалів й дуже далее.

За сучасних умов постійно що розвивається науці, ми бачимо поява дедалі більше нових розробок та відкриттів у сфері виробництва. Це спричиняє у себе нові й побудувати нові області застосування теплового ефекту хімічних реакций.

1. Мусабеков Ю. З., Марселен Бертло, М., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827−1927, P., 1929.

2. Патент 852 586 Російської Федерації. МКІ У 28 Д 5/00. Спосіб розмірної обробки алмазу /А.П.Григорьев, С. Х. Лифшиц, П. П. Шамаев (Російської Федерації). — 2 с.

3. Классен В. К. Матеріальний баланс. Теплотехнические розрахунки теплових агрегатів. — Бєлгород: БТИСМ, 1978. -114 с.

4. Перегудів В.В., Роговий М. И. Теплові процеси та установки в технології будівельних виробів і деталей.- М.:Стройиздат, 1983.-416с.

5. Е-mail:[email protected].

6. «Біотехнології «(internet.

7. С. Д. Варфоломеев, Ю.М. Євдокимов, М. А. Островський. «ВІСНИК РОСІЙСЬКОЇ АКАДЕМІЇ НАУК » .

8.

9.