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 .

SHAPE * MERGEFORMAT <img src="/cache/referats/19239/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1027">

Воронеж 2004

Содержание

Введение ……………………………………………………………………

1. Тепловой эффект химической реакции………………………………...

1.1. Уравнения химических реакций……………………………...

1.2. Основные законы термохимии……………………………….

2. Применение теплового эффекта на практике………………………….

2.1.Жаропрочные покрытия……………………………………….

2.2.Термохимический способ обработки алмаза………………...

2.3.Техногенное сырьё для производства цемента………………

2.4. Биосенсоры…………………………………………………….

Заключение………………………………………………………………….

Список литературы…………………………………………………………

Введение

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

Целью данной курсовой работы является изучение практического применениятеплового эффекта. Мы рассмотрим некоторые варианты его использования, ивыясним насколько важноиспользованиетепловых эффектов химических реакций в условиях развития современных технологий.

1. Тепловой эффект химической реакции

В каждом веществе запасено определенноеколичество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком,обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организмуиспользовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся впище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет наподдержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.

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

Начиная с 1865 Бертло активно занимался термохимией, провел обширныекалориметрические исследования, приведшие, в частности, к изобретению«калориметрической бомбы» (1881); ему принадлежат понятия«экзотермической» и «эндотермической» реакций. Бертлополучены обширные данные о тепловых эффектах огромного числа реакций, о теплотеразложения и образования многих веществ.

Бертло исследовал действие взрывчатых веществ: температуру взрыва,скорости сгорания и распространения взрывной волны и др.

Энергия химических соединенийсосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь междудвумя атомами, требуется затратить энергию. Когда химическая связь образуется,энергия выделяется.

Любая химическая реакциязаключается в разрыве одних химических связей и образовании других.

Когда в результатехимической реакции при образовании новых связей выделяется энергии больше, чемпотребовалось для разрушения «старых» связей в исходных веществах, тоизбыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакциигорения. Например, природный газ (метан CH4) сгорает в кислородевоздуха с выделением большого количества теплоты (рис. 1а). Такие реакции являютсяэкзотермическими.

·

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,которые идут с поглощением теплоты из окружающей среды (Q<0, DH>0), т.е.с отрицательным тепловым эффектом, являются эндотермическими.

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

<img src="/cache/referats/19239/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1026">
Рис. 1а

<img src="/cache/referats/19239/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1027">
Рис. 1б

Рис. 1а, б. Изображение химических реакций при помощимоделей молекул: а) экзотермическая реакция, б) эндотермическая реакция. Моделинаглядно показывают, как при неизменномчисле атомов между ними разрушаются старые и возникают новые химические связи.

Таким образом, любаяхимическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чащевсего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже — в виде световойили механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерениявыражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или (реже) для моляпродукта реакции. Такая величина называется тепловым эффектом реакции.

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

Тепловой эффект обозначается символами Q или DH (Q =-DH). Его величина соответствует разности между энергиями исходного и конечногосостояний реакции:

DH = Hкон. — Hисх.= Eкон. — Eисх.

Значки (г), (ж)обозначают газообразное и жидкое состояние веществ. Встречаются такжеобозначения (тв) или (к) — твердое, кристаллическое вещество, (водн) — растворенное в воде вещество и т.д.

Обозначение агрегатного состояниявещества имеет важное значение. Например, в реакции сгорания водородапервоначально образуется вода в виде пара (газообразное состояние), приконденсации которого может выделиться еще некоторое количество энергии.Следовательно, для образования воды в виде жидкости измеренный тепловой эффектреакции будет несколько больше, чем для образования только пара, поскольку приконденсации пара выделится еще порция теплоты.

Используется такжечастный случай теплового эффекта реакции — теплота сгорания. Из самого названиявидно, что теплота сгорания служит для характеристики вещества, применяемого вкачестве топлива. Теплоту сгорания относят к 1 молю вещества, являющегосятопливом (восстановителем в реакции окисления), 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 (DЕ) можно показатьграфически (рис. 2).

Рис.2. Графическое изображение теплового эффекта(Q = DЕ): а) экзотермической реакции горения водорода; б)эндотермической реакции разложения воды под действием электрического тока.Координату реакции (горизонтальную ось графика) можно рассматривать, например,как степень превращения веществ (100% — полное превращение исходных веществ).

1.1. Уравнения химическихреакций

·

Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами ипродуктами записан и тепловой эффект реакции, называются термохимическимиуравнениями.

Особенностьтермохимических уравнений заключается в том, что при работе с ними можнопереносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из одной частиуравнения в другую. С обычными уравнениями химических реакций так поступать,как правило, нельзя.

Допускается такжепочленное сложение и вычитание термохимических уравнений. Это бывает нужно дляопределения тепловых эффектов реакций, которые трудно или невозможно измерить вопыте.

Приведем пример. Влаборатории чрезвычайно трудно осуществить «в чистом виде» реакциюполучения метана СH4 путем прямого соединения углерода с водородом:

С + 2 H2 = СH4

Но можно многое узнать обэтой реакции с помощью вычислений. Например, выяснить, будет эта реакция экзо- или эндотермической, и даже количественнорассчитать величину теплового эффекта.

Известны тепловые эффектыреакций горения метана, углерода и водорода (эти реакции идут легко):

а) СH4(г) + 2O2(г) = СO2(г) + 2 H2О(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 последнихуравнения (б) и (в) из уравнения (а). Левые части уравнений будем вычитать излевой, правые — из правой. При этом сократятся все молекулы O2, СO2и H2О. Получим:

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

Это уравнение выглядитнесколько непривычно. Умножим обе части уравнения на (-1) и перенесем CH4в правую часть с обратным знаком. Получим нужное нам уравнение образованияметана из угля и водорода:

С(тв) + 2 H2(г)= CH4(г) + 76 кДж/моль

Итак, наши расчетыпоказали, что тепловой эффект образования метана из углерода и водородасоставляет 76 кДж (на моль метана), причем этот процесс должен бытьэкзотермическим (энергия в этой реакции будет выделяться).

Важно обращать вниманиена то, что почленно складывать, вычитать и сокращать в термохимическихуравнениях можно только вещества, находящиеся в одинаковых агрегатныхсостояниях, иначе мы ошибемся в определении теплового эффекта на величинутеплоты перехода из одного агрегатного состояния в другое.

1.2. Основныезаконы термохимии

·

Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии вхимических реакциях, называется термохимией.

Существует два важнейшихзакона термохимии. Первый из них, закон Лавуазье–Лапласа, формулируетсяследующим образом:

·

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

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

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

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

Закон Лавуазье–Лапласаявляется следствием закона сохранения энергии.

Второй закон термохимиибыл сформулирован в 1840 г российским академиком Г. И. Гессом:

·

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

Это означает, что общийтепловой эффект ряда последовательных реакций будет таким же, как и у любогодругого ряда реакций, если в начале и в конце этих рядов одни и те же исходныеи конечные вещества. Эти два основных закона термохимии придают термохимическимуравнениям некоторое сходство с математическими, когда в уравнениях реакцийможно переносить члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать исокращать формулы химических соединений. При этом необходимо учитыватькоэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые,вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковомагрегатном состоянии.

2. Применение тепловогоэффекта на практике

Тепловые эффектыхимических реакций нужны для многих технических расчетов. Например, рассмотриммощную российскую ракету «Энергия», способную выводить на орбитукосмические корабли и другие полезные грузы. Двигатели одной из её ступенейработают на сжиженных газах — водороде и кислороде.

Допустим, нам известнаработа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом споверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивлениявоздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимыйзапас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этойракете в качестве топлива и окислителя?

Без помощи тепловогоэффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать этозатруднительно. Ведь тепловой эффект — это и есть та самая энергия, котораядолжна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплотапревращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), которыйвырывается из сопел и создает реактивную тягу.

В химическойпромышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты длянагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике спомощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологииспользуют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме длясоставления правильных рационов питания не только для больных, но и дляздоровых людей — спортсменов, работников различных профессий. По традиции длярасчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы — калории(1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массепищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта.Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такуюнадпись: «калорийность 320 ккал/100 г».

Тепловой эффект рассчитываетсяпри получении монометиланилина, который относится к классу замещенныхароматических аминов. Основная область применения монометиланилина –антидетонационная присадка для бензинов. Возможно использованиемонометиланилина в производстве красителей. Товарный монометиланилин (N-метиланилин)выделяется из катализата методом периодической или непрерывной ректификации. Тепловой эффект реакции ∆Н= -14±5 кДж/моль.

2.1.Жаропрочные покрытия

Развитие техники высоких температурвызывает необходимость создания особо жаропрочных материалов. Эта задача можетбыть решена путём использования тугоплавких и жаропрочных металлов. Интерметаллические покрытияпривлекают всё большее внимание, поскольку обладают многими ценными качествами:стойкостью к окислению, агрессивными расплавами, жаропрочностью и т.д. Интереспредставляет и существенная экзотермичность образования этих соединений изсоставляющих их элементов.Возможны два способаиспользования экзотермичности реакции образования интерметаллидов. Первый –получение композитных, двухслойных порошков. При нагреве компоненты порошкавступают во взаимодействие, и тепло экзотермической реакции компенсируютостывание частиц, достигающих защищаемой поверхности в полностью расплавленномсостоянии и образующих малопористое прочно сцеплённое с основой покрытие.Другим вариантом может быть нанесение механической смеси порошков. Придостаточном нагреве частиц они вступают во взаимодействие уже в слое покрытие.Если величина теплового эффекта значительная, то это может привести ксамопроплавлению слоя покрытия, образованию промежуточного диффузионного слоя,повышающего прочность сцепления, получения плотной, малопористой структурыпокрытия. Пpи выборе композиции, образующей интерметаллидное покрытие с большимтепловым эффектом и обладающее многими ценными качествами – коррозионнойстойкостью, достаточной жаропрочностью и износостойкостью, обращает на себявнимание алюминиды никеля, в частности NiAl и Ni3Al. ОбразованиеNiAl сопровождается максимальным тепловым эффектом.

2.2.Термохимический способ обработкиалмаза

Свое название «термохимический» способполучил благодаря тому, что протекает он при повышенных температурах, а воснове его лежит использование химических свойств алмаза. Осуществляется способследующим образом: алмаз приводят в контакт с металлом, способным растворять всебе углерод, а для того, чтобы процесс растворения или обработки шелнепрерывно, его проводят в атмосфере газа, взаимодействующего с растворенным вметалле углеродом, но не реагирующим непосредственно с алмазом. В процессевеличина теплового эффекта принимает высокое значение.

Для определения оптимальных условий проведениятермохимической обработки алмаза и выявления возможностей способа потребовалосьизучить механизмы определенных химических процессов, которые, как показаланализ литературы, вообще не исследовались. Более конкретному изучениютермохимической обработки алмаза мешало, прежде всего, недостаточное знаниесвойств самого алмаза. Опасались испортить его нагревом. Исследования потермической устойчивости алмаза были выполнены лишь в последние десятилетия.Установлено, что алмазы, не содержащие включений, в нейтральной атмосфере или ввакууме можно без всякого для них вреда нагреть до 1850 “С”, и только выше.

Алмаз является лучшим материалом для лезвия благодаряуникальной твердости, упругости и низкому трению по биологическим тканям.Оперирование алмазными ножами облегчает проведение операций, сокращает в 2-3раза сроки заживления разрезов. По мнению микрохирургов МНТК микрохирургииглаза, ножи, заточенные термохимическим способом, не только не уступают, но ипревосходят по качеству лучшие зарубежные образцы. Термохимически заточенныминожами уже сделаны тысячи операций. Алмазные ножи разной конфигурации иразмеров могут применяться и в других областях медицины, биологии. Так, дляизготовления препаратов в электронной микроскопии используют микротомы. Высокаяразрешающая способность электронного микроскопа предъявляет особые требования ктолщине и качеству среза препаратов. Алмазные микротомы, заточенныетермохимическим методом, позволяют изготавливать срезы нужного качества.

2.3.Техногенное сырьё для производства цемента

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

Припереработке скарново-магнетитовых руд выделяются хвосты сухой магнитнойсепарации (СМС), представляющие собой щебневидный материал с размером зерен до25 мм. Хвосты СМС имеют достаточно стабильный химический состав, мас.%: SiO240…45, Al2O310…12, Fe2O315…17, CaO12…13, MgO5…6, S2…3, R2O2…4. Доказана возможность использования хвостов СМС впроизводстве портландцементного клинкера. Полученные цементы характеризуютсявысокими прочностными показателями.

Тепловойэффект клинкерообразования (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).

Основнымипреимуществами использования отходов обогащения скарново-магнетитовых руд впроизводстве цемента являются:

— расширение сырьевой базы за счет техногенного источника;

— экономия природного сырья при сохранении качества цемента;

— снижение топливно-энергетических затрат на обжиг клинкера;

— возможность выпуска малоэнергоемких активных низкоосновныхклинкеров;

— решение экологических проблем за счет рациональнойутилизации отходов и сокращения газовыхвыбросов в атмосферу при обжиге клинкера.

2.4. Биосенсоры

Биосенсоры — датчики на основеиммобилизованных ферментов. Позволяют быстро и качественно анализироватьсложные, многокомпонентные смеси веществ. В настоящее время находят все болееширокое применение в целом ряде отраслей науки, промышленности, сельского хозяйстваи здравоохранения. Основой для создания автоматических систем ферментативногоанализа послужили последние достижения в области энзимологии и инженернойэнзимологии. Уникальные качества ферментов — специфичность действия и высокаякаталитическая активность — способствуют простоте и высокой чувствительностиэтого аналитического метода, а большое количество известных и изученных насегодняшний день ферментов позволяют постоянно расширять список анализируемыхвеществ.

Ферментные микрокалориметрическиедатчики — используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двухколонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованнымферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительнуюколонку анализируемого образца происходит химическая реакция, котораясопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересенсвоей 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.

МусабековЮ. С., МарселенБертло, М., 1965;Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, P., 1929.

2.

Патент 852586 Российская 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. Материальныйбаланс.Теплотехнические расчеты тепловых агрегатов. – Белгород: БТИСМ, 1978.–114 с.

4.

Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловыепроцессы и установки в технологии строительных изделий и деталей.–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».

еще рефераты

Еще работы по химии