Все формулы РФ

Химия / Тепловой эффект реакции, закон Гесса

Теплота сгорания по количеству вещества

Количество теплоты при сгорании находят умножением количества вещества топлива на молярную теплоту сгорания, если реакция идет полно.

Опубликовано: Обновлено:

Тепловой эффект реакции, закон ГессаЕсть историческая справкаСтраницы с задачами и решениямиБазовые химические расчеты

Формула

$$Q = n \cdot q_c$$
диаграмма Энергия сгорания топлива

Диаграмма показывает количество вещества топлива, молярную теплоту сгорания и итоговую выделенную энергию.

Для полного сгорания теплота пропорциональна числу молей топлива.

Обозначения

$Q$
количество теплоты, выделившееся при сгорании, кДж
$n$
количество вещества топлива, моль
$qc$
молярная теплота сгорания, обычно берется как положительная величина выделенной теплоты, кДж/моль

Условия применения

  • Топливо сгорает полностью до указанных продуктов, например CO2 и H2O.
  • Молярная теплота сгорания относится к тому же агрегатному состоянию воды, что и расчет.
  • Количество вещества топлива найдено по чистому веществу, без примесей и влаги.
  • Если требуется энтальпия реакции, для экзотермического сгорания ставят отрицательный знак.

Ограничения

  • Формула не учитывает потери тепла в окружающую среду и неполное сгорание.
  • Для смеси топлив теплоту считают по каждому компоненту отдельно.
  • В инженерных расчетах различают высшую и низшую теплоту сгорания из-за состояния воды.

Подробное объяснение

Молярная теплота сгорания показывает, сколько энергии выделяется при полном сгорании 1 моль вещества при заданных условиях. Поэтому для любого другого количества вещества энергия пропорциональна числу молей. Такая линейность следует из стехиометрии: удвоили количество топлива, удвоили количество реакций сгорания, удвоили тепловой эффект.

В химических задачах qc часто дают как положительное число, потому что говорят о выделившейся теплоте. В термодинамической записи для системы используют ΔHc, и для сгорания оно обычно отрицательно. Нужно заранее определить, какая величина требуется в ответе, чтобы не получить правильное число с неверным знаком.

Если в условии дана масса топлива, сначала вычисляют n = m/M. Для газов количество вещества могут находить по объему, но только после учета температуры и давления. После нахождения n расчет по Q = n · qc становится прямым умножением.

Полнота сгорания важна для смысла формулы. Для углеводородов полное сгорание означает образование CO2 и воды. При недостатке кислорода возможны CO, сажа и другие продукты, а выделенная теплота будет иной. Поэтому табличное qc нельзя без проверки переносить на реальные печи, двигатели или пламя с плохим доступом воздуха.

В калориметрии измеренное тепло часто меньше табличного из-за теплоемкости сосуда и теплопотерь. Тогда формула служит теоретической основой, а эксперимент требует поправок. В учебных расчетах эти потери обычно либо уже учтены, либо прямо оговорены.

Как пользоваться формулой

  1. Определите вещество и его молярную теплоту сгорания qc.
  2. Переведите массу или объем топлива в количество вещества n.
  3. Умножьте n на qc и получите количество выделенной теплоты.
  4. При записи ΔH для реакции сгорания поставьте отрицательный знак.
  5. Проверьте, о какой воде идет речь: жидкой или газообразной.

Историческая справка

Теплоты сгорания начали систематически измерять вместе с развитием калориметрии в XIX веке. Такие измерения были нужны не только теоретической химии, но и практике: оценке качества угля, газа, спиртов и нефтяных фракций. Бомбовые калориметры позволили проводить реакции в избытке кислорода и измерять тепло достаточно воспроизводимо. Позднее термохимические таблицы связали теплоты сгорания с энтальпиями образования через закон Гесса. В энергетике появилась разница между высшей и низшей теплотой сгорания, потому что конденсация воды возвращает дополнительное тепло. В современной химии такие расчеты остаются базовыми, но для реальных топлив учитывают состав смеси, влажность, неполное сгорание и условия отвода тепла.

Историческая линия формулы

Единственного автора у формулы Q = n · qc нет: это пропорциональная запись молярной величины. Исторически ее смысл связан с калориметрией, законом Гесса и созданием таблиц теплот сгорания. Вклад многих экспериментаторов состоял в надежном измерении qc для конкретных веществ.

Пример

Сожгли 0,25 моль этанола. Молярная теплота сгорания этанола до CO2(г) и H2O(ж) равна примерно 1367 кДж/моль как количество выделенной теплоты. Используем Q = n · qc. Подстановка дает Q = 0,25 · 1367 = 341,75 кДж. Ответ: выделится около 342 кДж теплоты. Если записывать термохимическое уравнение C2H5OH(ж) + 3O2(г) = 2CO2(г) + 3H2O(ж), изменение энтальпии реакции для 1 моль этанола равно примерно -1367 кДж/моль. Для 0,25 моль энтальпийный эффект будет -341,75 кДж. Различие между Q как выделенной теплотой и ΔH как изменением состояния помогает не потерять знак.

Частая ошибка

Ошибаются, когда берут массу топлива вместо количества вещества и сразу умножают ее на кДж/моль. Массу сначала переводят в моли через молярную массу. Еще одна типичная ошибка состоит в смешении знаков: теплота, выделившаяся наружу, положительна как полезная энергия, но ΔH реакции сгорания отрицательна. В задачах по топливу также нужно проверять, относится ли табличное значение к жидкой или газообразной воде.

Практика

Задачи с решением

Сгорание метана

Условие. Сколько теплоты выделится при полном сгорании 2,00 моль CH4, если qc = 890 кДж/моль.

Решение. Q = n · qc = 2,00 · 890 = 1780 кДж. Для энтальпии реакции на это количество вещества знак был бы отрицательным.

Ответ. Выделится 1780 кДж теплоты.

Сгорание пропана по массе

Условие. Сожгли 44,1 г C3H8. Молярная масса пропана 44,1 г/моль, qc = 2220 кДж/моль. Найдите Q.

Решение. Количество вещества n = 44,1 / 44,1 = 1,00 моль. Q = 1,00 · 2220 = 2220 кДж.

Ответ. Около 2220 кДж выделенной теплоты.

Дополнительные источники

  • IUPAC Gold Book: terminology for chemistry and physical chemistry
  • OpenStax Chemistry 2e: thermochemistry, solutions, stoichiometry and gases
  • Atkins and de Paula: Physical Chemistry, selected chapters

Связанные формулы

Химия

Энтальпия реакции по энергиям связей

$\Delta H \approx \sum E_{broken}-\sum E_{formed}$

Оценка по энергиям связей сравнивает энергию, затраченную на разрыв старых связей, с энергией, выделенной при образовании новых.

Химия

Энтальпия реакции по теплотам образования

$\Delta H^\circ_{rxn}=\sum \nu \Delta H_f^\circ(products)-\sum \nu \Delta H_f^\circ(reactants)$

Стандартную энтальпию реакции находят как сумму теплот образования продуктов минус сумму теплот образования реагентов с учетом коэффициентов.