Реферат: Тепловой эффект химической реакции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Теоретические основы прогрессивнойтехнологии»

Тема: «Тепловой эффект химической реакции и его практическоеприменение.»

Выполнила      студентка гр. ЭК-032в

                         Черных Е. А.

Руководитель  Фролов .

  />/>

Воронеж 2004

Содержание

Введение …………………………………………………………………… 3 1. Тепловой эффект химической реакции………………………………... 4 1.1. Уравнения химических реакций……………………………... 8 1.2. Основные законы термохимии………………………………. 10 2. Применение теплового эффекта на практике…………………………. 12 2.1.Жаропрочные покрытия………………………………………. 1 2.2.Термохимический способ обработки алмаза………………... 14 2.3.Техногенное сырьё для производства цемента……………… 15 2.4. Биосенсоры……………………………………………………. 16 Заключение…………………………………………………………………. 17 Список литературы………………………………………………………… 18

Введение

Тепловыеэффекты химических реакций необходимы для многих технических расчетов. Онинаходят обширное применение во многих отраслях промышленности, а также ввоенных разработках.

Целью даннойкурсовой работы является изучение практического применения теплового эффекта.Мы рассмотрим некоторые варианты его использования, и выясним насколько важно использование тепловыхэффектов химических реакций в условиях развития современных тех­нологий.

1. Тепловойэффект химической реакции

В каждомвеществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мысталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питанияпозволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химическихсоединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется вдвижение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!)температуры тела.

Одним изсамых известных ученых, работающих в области термохимии, является Бертло. Бертло-профессор химии Высшей фармацевтической школы в Париже (1859г). Министрпросвещения  и иностранных дел.

Начиная с1865 Бертло активно занимался термохимией, провел обширные калориметрическиеисследования, приведшие, в частности, к изобретению «калориметрическойбомбы» (1881); ему принадлежат понятия «экзотермической» и«эндотермической» реакций. Бертло получены обширные данные о тепловыхэффектах огромного числа реакций, о теплоте разложения и образования многихвеществ.

Бертлоисследовал действие взрывчатых веществ: температуру взрыва, скорости сгорания ираспространения взрывной волны и др.

Энергияхимических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобыразрушить связь между двумя атомами, требуется затратить энергию. Когдахимическая связь образуется, энергия выделяется.

Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химическихсвязей и образовании других.

Когда в результате химической реакции при образовании новых связейвыделяется энергии больше, чем потребовалось для разрушения «старых»связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла.Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH4)сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты (рис. 1а).Такие реакции являются экзотермическими.

·    Реакции,протекающие с выделением теплоты, проявляют положительный тепловой эффект(Q>0, DH<0) и называются экзотермическими.

В других случаях на разрушение связей в исходных веществахтребуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей.Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются эндотермическими.

·    Реакции, которыеидут с поглощением теплоты из окружающей среды (Q<0, DH>0), т.е. сотрицательным тепловым эффектом, являются эндотермическими.

Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H2из угля и воды, которое происходит только при нагревании (рис. 1б).

/>
Рис. 1а

/>
Рис. 1б

Рис. 1а, б. Изображениехимических реакций при помощи моделей молекул: а) экзотермическая реакция, б)эндотермическая реакция. Модели наглядно показывают, как при неизменном числеатомов между ними разрушаются старые и возникают новые химические связи.

Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделениемили поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в видетеплоты (реже — в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можноизмерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного моляреагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется тепловымэффектом реакции.

Тепловой эффект — количество теплоты, выделившееся или поглощенное химической системой при протекании в ней химической реакции.

Тепловой эффектобозначается символами Q или DH (Q = -DH). Его величина соответствует разностимежду энергиями исходного и конечного состояний реакции:

DH = Hкон. — Hисх.=  Eкон. — Eисх.

Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояниевеществ. Встречаются также обозначения (тв) или (к) — твердое, кристаллическоевещество, (водн) — растворенное в воде вещество и т.д.

Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение.Например, в реакции сгорания водорода первоначально образуется вода в виде пара(газообразное состояние), при конденсации которого может выделиться ещенекоторое количество энергии. Следовательно, для образования воды в видежидкости измеренный тепловой эффект реакции будет несколько больше, чем дляобразования только пара, поскольку при конденсации пара выделится еще порциятеплоты.

Используется также частный случай теплового эффекта реакции — теплотасгорания. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит дляхарактеристики вещества, применяемого в качестве топлива. Теплоту сгоранияотносят к 1 молю вещества, являющегося топливом (восстановителем в реакцииокисления), например:

C2H2

+

2,5 O2

=

2 CO2

+

H2O

+ 1300 кДж ацетилен теплота сгорания ацетилена

Запасенную в молекулах энергию (Е) можно отложить наэнергетической шкале. В этом случае тепловой эффект реакции (D Е) можно показатьграфически (рис. 2).

/>

Рис. 2. Графическоеизображение теплового эффекта (Q = D Е): а) экзотермическойреакции горения водорода; б) эндотермической реакции разложения воды поддействием электрического тока. Координату реакции (горизонтальную ось графика)можно рассматривать, например, как степень превращения веществ (100% — полноепревращение исходных веществ).

1.1. Уравнения химических реакций

·      Уравненияхимических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан итепловой эффект реакции, называются термохимическими уравнениями.

Особенность термохимических уравнений заключается в том, что приработе с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов изодной части уравнения в другую. С обычными уравнениями химических реакций так поступать,как правило, нельзя.

Допускается также почленное сложение и вычитание термохимическихуравнений. Это бывает нужно для определения тепловых эффектов реакций, которыетрудно или невозможно измерить в опыте.

Приведем пример. В лаборатории чрезвычайно трудно осуществить«в чистом виде» реакцию получения метана СH4 путем прямогосоединения углерода с водородом:

С + 2 H2= СH4

Но можно многое узнать об этой реакции с помощью вычислений.Например, выяснить, будет эта реакция экзо- или эндотермической, и дажеколичественно рассчитать величину теплового эффекта.

Известны тепловые эффекты реакций горения метана, углерода иводорода (эти реакции идут легко):

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

б) С(тв) + O2(г) = СO2(г) + 394 кДж

в) 2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) +572 кДж

Вычтем два последних уравнения (б) и (в) из уравнения (а). Левыечасти уравнений будем вычитать из левой, правые — из правой. При этомсократятся все молекулы O2, СO2 и H2О.Получим:

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

Это уравнение выглядит несколько непривычно. Умножим обе частиуравнения на (-1) и перенесем CH4 в правую часть с обратным знаком.Получим нужное нам уравнение образования метана из угля и водорода:

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

Итак, наши расчеты показали, что тепловой эффект образованияметана из углерода и водорода составляет 76 кДж (на моль метана), причем этотпроцесс должен быть экзотермическим (энергия в этой реакции будет выделяться).

Важно обращать внимание на то, что почленно складывать, вычитать исокращать в термохимических уравнениях можно только вещества, находящиеся водинаковых агрегатных состояниях, иначе мы ошибемся в определении тепловогоэффекта на величину теплоты перехода из одного агрегатного состояния в другое.

1.2. Основныезаконы термохимии

·   Разделхимии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях,называется термохимией.

Существует два важнейших закона термохимии. Первый из них, законЛавуазье–Лапласа, формулируется следующим образом:

·   Тепловойэффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции спротивоположным знаком.

Это означает, что при образовании любого соединения выделяется(поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при егораспаде на исходные вещества. Например:

2 H2(г) + O2(г) 2 H2О(ж) + 572кДж (горение водорода в кислороде)

2 H2О(ж) + 572 кДж = 2 H2(г) + O2(г)(разложение воды электрическим током)

Закон Лавуазье–Лапласа является следствием закона сохраненияэнергии.

Второй закон термохимии был сформулирован в 1840 г российскимакадемиком Г. И. Гессом:

·    Тепловойэффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и независит от промежуточных стадий процесса.

Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательныхреакций будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и вконце этих рядов одни и те же исходные и конечные вещества. Эти два основныхзакона термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое сходство сматематическими, когда в уравнениях реакций можно переносить члены из однойчасти в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать формулы химическихсоединений. При этом необходимо учитывать коэффициенты в уравнениях реакций ине забывать о том, что складываемые, вычитаемые или сокращаемые моли веществадолжны находиться в одинаковом агрегатном состоянии.

2. Применение теплового эффекта на практике

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих техническихрасчетов. Например, рассмотрим мощную российскую ракету «Энергия»,способную выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы.Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах — водороде икислороде.

Допустим, нам известна работа (в кДж), которую придется затратитьдля доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна такжеработа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во времяполета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (всжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива иокислителя?

Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водородаи кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект — это и есть тасамая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгоранияракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленногогаза (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчетаколичества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермическиереакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработкутепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевыхпродуктов в организме для составления правильных рационов питания не только длябольных, но и для здоровых людей — спортсменов, работников различных профессий.По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетическиеединицы — калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят ккакой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартнойупаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можнопрочитать такую надпись: «калорийность 320 ккал/100 г».

Тепловой эффект рассчитывается при получении монометиланилина, которыйотносится к классу замещенных ароматических аминов. Основная область применениямонометиланилина – антидетонационная присадка для бензинов. Возможноиспользование монометиланилина в производстве красителей. Товарныймонометиланилин (N-метиланилин) выделяется из катализата методом периодической илинепрерывной ректификации. Тепловой эффект реакции ∆Н= -14±5 кДж/моль.

2.1.Жаропрочные покрытия

Развитиетехники высоких температур вызывает необходимость создания особо жаропрочныхматериалов. Эта задача может быть решена путём использования тугоплавких ижаропрочных металлов. Интерметаллические покрытия привлекают всё большеевнимание, поскольку обладают многими ценными качествами: стойкостью кокислению, агрессивными расплавами, жаропрочностью и т.д. Интерес представляети существенная экзотермичность образования этих соединений из составляющих ихэлементов. Возможны два способа использованияэкзотермичности реакции образования интерметаллидов. Первый – получение композитных,двухслойных порошков. При нагреве компоненты порошка вступают вовзаимодействие, и тепло экзотермической реакции компенсируют остывание частиц,достигающих защищаемой поверхности в полностью расплавленном состоянии иобразующих малопористое прочно сцеплённое с основой покрытие. Другим вариантомможет быть нанесение механической смеси порошков. При достаточном нагревечастиц они вступают во взаимодействие уже в слое покрытие. Если величинатеплового эффекта значительная, то это может привести к самопроплавлению слояпокрытия, образованию промежуточного диффузионного слоя, повышающего прочностьсцепления, получения плотной, малопористой структуры покрытия. Пpи выборекомпозиции, образующей интерметаллидное покрытие с большим тепловым эффектом иобладающее многими ценными качествами – коррозионной стойкостью, достаточнойжаропрочностью и износостойкостью, обращает на себя внимание алюминиды никеля,в частности NiAl и Ni3Al. Образование NiAl сопровождаетсямаксимальным тепловым эффектом.

2.2.Термохимическийспособ обработки алмаза

Свое название«термохимический» способ получил благодаря тому, что протекает он приповышенных температурах, а в основе его лежит использование химических свойствалмаза. Осуществляется способ следующим образом: алмаз приводят в контакт сметаллом, способным растворять в себе углерод, а для того, чтобы процессрастворения или обработки шел непрерывно, его проводят в атмосфере газа,взаимодействующего с растворенным в металле углеродом, но не реагирующимнепосредственно с алмазом. В процессе величина теплового эффекта принимаетвысокое значение.

Для определенияоптимальных условий проведения термохимической обработки алмаза и выявлениявозможностей способа потребовалось изучить механизмы определенных химическихпроцессов, которые, как показал анализ литературы, вообще не исследовались. Болееконкретному изучению термохимической обработки алмаза мешало, прежде всего,недостаточное знание свойств самого алмаза. Опасались испортить его нагревом.Исследования по термической устойчивости алмаза были выполнены лишь в последниедесятилетия. Установлено, что алмазы, не содержащие включений, в нейтральнойатмосфере или в вакууме можно без всякого для них вреда нагреть до 1850 “С”, итолько выше.

Алмаз является лучшимматериалом для лезвия благодаря уникальной твердости, упругости и низкомутрению по биологическим тканям. Оперирование алмазными ножами облегчаетпроведение операций, сокращает в 2-3 раза сроки заживления разрезов. По мнениюмикрохирургов МНТК микрохирургии глаза, ножи, заточенные термохимическимспособом, не только не уступают, но и превосходят по качеству лучшие зарубежныеобразцы. Термохимически заточенными ножами уже сделаны тысячи операций. Алмазныеножи разной конфигурации и размеров могут применяться и в других областяхмедицины, биологии. Так, для изготовления препаратов в электронной микроскопиииспользуют микротомы. Высокая разрешающая способность электронного микроскопапредъявляет особые требования к толщине и качеству среза препаратов. Алмазныемикротомы, заточенные термохимическим методом, позволяют изготавливать срезынужного качества.

2.3.Техногенное сырьё для производства цемента

Дальнейшая интенсификация цементногопроизводства предполагает широкое внедрение энерго- и ресурсосберегающихтехнологий с использованием отходов различных отраслей.

При переработкескарново-магнетитовых руд выделяются хвосты сухой магнитной сепарации (СМС),представляющие собой щебневидный материал с размером зерен до 25 мм. Хвосты СМСимеют достаточно стабильный химический состав, мас.%: SiO2 40…45, Al2O3 10…12, Fe2O3 15…17, CaO12…13, MgO 5…6, S 2…3, R2O 2…4. Доказана возможностьиспользования хвостов СМС в производстве портландцементного клинкера.Полученные цементы характеризуются высокими прочностными показателями.

Тепловой эффектклинкерообразования (ТЭК) определен как алгебраическая сумма теплотэндотермических процессов (декарбонизация известняка, дегидратация минераловглины, образование жидкой фазы) и экзотермических реакций (окисление пирита,вносимого хвостами СМС, формирование клинкерных фаз).

Основными преимуществамииспользования отходов обогащения скарново-магнетитовых руд в производствецемента являются:

— расширениесырьевой базы за счет техногенного источника;

— экономияприродного сырья при сохранении качества цемента;

— снижениетопливно-энергетических затрат на обжиг клинкера;

— возможностьвыпуска малоэнергоемких активных низкоосновных клинкеров;

— решениеэкологических проблем за счет рациональной утилизации  отходов и сокращениягазовых выбросов в атмосферу при обжиге клинкера.

2.4.Биосенсоры

Биосенсоры- датчики на основе иммобилизованных ферментов. Позволяют быстро и качественноанализировать сложные, многокомпонентные смеси веществ. В настоящее времянаходят все более широкое применение в целом ряде отраслей науки,промышленности, сельского хозяйства и здравоохранения. Основой для созданияавтоматических систем ферментативного анализа послужили последние достижения вобласти энзимологии и инженерной энзимологии. Уникальные качества ферментов — специфичность действия и высокая каталитическая активность — способствуютпростоте и высокой чувствительности этого аналитического метода, а большоеколичество известных и изученных на сегодняшний день ферментов позволяютпостоянно расширять список анализируемых веществ.

Ферментныемикрокалориметрические датчики — используют тепловой эффект ферментативнойреакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненныхносителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. Припропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходитхимическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом.Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

Заключение.

Итак, проведяанализ практического применения теплового эффекта химических реакций, можносделать вывод: тепловой эффект вплотную связан с нашей повседневной жизнью, онподвергается постоянному исследованию и находит всё новые применения напрактике.

В условияхразвития современных технологий теплой эффект нашел свое применение в различныхотраслях. Химическая, военная, строительная, пищевая, горнодобывающая и многиедругие отрасли используют тепловой эффект в своих разработках. Он применяется вдвигателях внутреннего сгорания, холодильных установках и в различных топочныхустройствах, а также в производстве хирургических приборов, жаропрочныхпокрытий, новых видах строительных материалов и так далее.

В современныхусловиях постоянно развивающейся науке, мы наблюдаем появление всё более новыхразработок и открытий в сфере производства. Это влечет за собой всё новые иновые области применения теплового эффекта химических реакций.

Список литературы

1.  Мусабеков Ю. С., Марселен Бертло, М., 1965; Centenaire deMarcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929.

2.  Патент 852586Российская Федерация. МКИ В 28 Д 5/00. Способ размерной обработки алмаза/А.П.Григорьев, С.Х.Лифшиц, П.П.Шамаев (Российская Федерация). — 2 с.

3.  Классен В.К.Материальный баланс.Теплотехнические расчеты тепловых агрегатов. –Белгород: БТИСМ, 1978. –114 с. 

4.  Перегудов В.В.,Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий идеталей.– М.: Стройиздат,1983.-416с.

5.  Е-mail:gp_lab@inbox.ru

6.  «Биотехнологии»(http://www.ictc.ru/R_42.htm).

7.  С.Д. Варфоломеев,Ю.М. Евдокимов, М.А. Островский. «ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК».