Общая химия (стр. 4 )

?Н = Нкон - Нисх. (1.4)

В этом физический смысл величины ?Н (здесь греческая буква ? — дельта означает разность). Для изобарных реакций часто используют термин «энтальпия процесса» вместо термина «тепловой эффект».

Если все конечные продукты реакции и исходные вещества находятся в стандартных состояниях (Т= 298 К, р = 101,3 кПа), то ?Н называют стандартной энтальпией процесса и обозначают ?Н 0298 или только с верхним индексом — ?Н0

Согласно сказанному, термохимические уравнения экзотермической реакции образования хлороводорода и эндотермической реакции образования оксида азота (II) из соответствующих простых веществ, при стандартных условиях запишутся так:

Уравнения (б) означают, что превращение 0,5 моль газообразного водорода и 0,5 моль газообразного хлора в 1 моль газообразного хлороводорода при стандартных условиях сопровождается выделением 92,3 кДж теплоты, а превращение 0,5 моль газообразного азота и 0,5 моль газообразного кислорода в 1 моль газообразного оксида азота (II) при стандартных условиях сопровождается поглощением 90,4 кДж теплоты. В уравнениях (а) этих реакций слово «моль» опущено, так как  ?Н относится не к одному молю, а к двум. Знак минус перед значением ?Н для экзотермических реакций означает, что запаса энергии в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах. Знак плюс перед значением ?Н для эндотермических реакций указывает на то, что, поглотив теплоту из внешней среды, продукты реакции увеличили свою энергию по сравнению с исходными веществами.

Очевидно, что если реакция соединения протекает с выделением теплоты, то обратная ей реакция — реакция разложения — будет идти с поглощением теплоты. Если же реакция соединения протекает с поглощением теплоты, то обратная ей реакция разложения будет протекать с выделением теплоты. Так, в первом примере ?Н °298 образования 1 моль хлороводорода равно -92,3 кДж, а ?Н °298  разложения хлороводорода равно +92,3 кДж; во втором примере ?Н °298  образования I моль оксида азота (II) равно +90,4 кДж, а ?Н °298  разложения 1 моль того же оксида азота (II) равно —90,4 кДж.

Тепловой эффект химических реакций измеряют с помощью специальных приборов — калориметров. Их устройство описы­вается в курсах физики и физической химии.

2. По признаку изменения числа исходных и конечных веществ. Реакции, в результате которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество, называются реакциями соединения. Например, взаимодействие хлороводорода с аммиаком:

НСl + NН3 = NН4Сl

или образование оксида магния из простых веществ:

2Мg + О2 = 2МgO

Реакции, в результате которых из одного вещества образуется несколько новых веществ, называют реакциями разложения. Например, разложение иодида водорода:

2НI = Н2 + I2

или разложение перманганата калия:

2 КМn04 = К2Мn04 + Мn02 + 02

Реакции между простыми и сложными веществами, в результате которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества, называются реакциями замещения. Например, замещение свинца цинком в нитрате свинца (II):

Рb(NО3)2 + Zn =Zn(NО3)2+ Рb

или вытеснение брома хлором:

2NaВг+Cl2 =Br2 + 2NaСl

Реакции, в результате которых два вещества обмениваются своими составным и частями, образуя два новых вещества, называются реакциями обмена. Например, взаимодействие оксида алюминия с сульфатной кислотой:

Аl2O3 + ЗН2S04 = А12(S04)3 + ЗН20

или взаимодействие хлорида кальция с нитратом серебра:

СаС12 + 2AgNO3 = 2АgС1 + Са(NО3)2

или взаимодействие основания с кислотой:

Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н20

3. По признаку обратимости. Выделяют реакции обратимые и необратимые.

4. По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Различают реакции, протекающие без изменения степеней окисления атомов и с изменением степеней окисления атомов (окислительно-восстановительные).

§ 1.9. Закон сохранения массы вещества

Рассмотрим в свете атомно-молекулярного учения основные законы химии: сохранения массы веществ, постоянства состава, объемных отношений и закон Авогадро. Эти законы подтверждают атомно-молекулярное учение — основу новой химии. В свою очередь, атомно-молекулярное учение объяснило основные законы химии.

Закон сохранения массы веществ впервые сформулирован в 1748 г. . Позднее (в 1756 г.) он экспериментально обосновал этот закон. Современная формулировка закона такова:

Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Независимо от Ломоносова этот закон сформулировал в 1789 г. французский химик . Он также получил экспериментальные доказательства закона, изучив многие реакции окисления металлов. Закон сохранения массы веществ может быть объяснен с точки зрения атомно-молекулярного учения так: при химических реакциях атомы не исчезают и не могут возникнуть из ничего; общее число атомов остается постоянным до и после реакции. Например, при взаимодействии двухатомных молекул водорода и хлора должно образоваться столько молекул НС1, чтобы число атомов водорода и хлора осталось равным двум, т. е. две молекулы:

Н2 + С12 = 2НС1

И поскольку атомы имеют постоянную массу, не меняется и масса веществ до и после реакции. Закон сохранения массы веществ связывал с законом сохранения энергии (количества движения). Он рассматривал эти законы в единстве как всеобщий закон природы и сформулировал его (1748) следующим образом: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Таким образом, законы сохранения массы веществ и сохранения энергии — это две стороны единого закона природы — закона вечности материи и ее движения. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой. Взаимосвязь массы и энергии (она рассматривается в физике) выражается уравнением Эйнштейна:

Е = т

где Е— энергия; т — масса; с — скорость света в вакууме. Закон сохранения массы веществ дает материальную основу для составления уравнений химических реакций. Опираясь на него, можно производить расчеты по химическим уравнениям.

§ 1.10. Закон постоянства состава вещества

К основным законам химии относится закон постоянства состава:

всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Рассмотрим, например, состав оксида углерода (IV) (углекислого газа) СО2. Он состоит из углерода и кислорода (качественный состав). Содержание углерода в СО2 27,27%, кислорода — 72,73% (количественный состав). Получить углекислый газ можно многими способами: синтезом из углерода и кислорода, из оксида углерода (II) и кислорода, действием кислот на карбонаты и др. Во всех случаях чистый оксид углерода (IV) будет иметь приведенный выше состав независимо от способа получения.

Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский уче­ный-химик Ж. Пруст в 1808 г. Он писал: «От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства.

Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь». В этой формулировке закона, как и в приведенной выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо от способа получения и места нахождения.

Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. По предложению первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дж. Дальтона), вторые — бертоллидами (в память французского химика , предвидевшего такие соединения). Состав дальтонидов выражается простыми формулами с целочисленными стехиометрическими индексами, например О, НС1, СС, С. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям. Например, состав оксида урана (IV) обычно выражают формулой U. На самом деле он имеет состав от U до U. Оксид ванадия (II) может иметь, в зависимости от условий получения, состав от VO0,9 до VО1,3. При взаимодействии циркония с азотом образуется нитрид циркония. Бертоллиды встречаются среди оксидов, гидридов, сульфидов, нитридов, карбидов (соединения с углеродом), силицидов (соединения с кремнием) и других неорганических веществ, имеющих кристаллическую структуру.

В связи с наличием соединений переменного состава в современную формулировку закона постоянства состава следует внести уточнение.