О взаимосвязи различных дисциплин при изучении термохимии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 621.039

О взаимосвязи различных дисциплин при изучении термохимии

A.Г. БИКЧЕНТАЕВА, к.х.н., доцент кафедры физической и органической химии

B.В. РЕПИН, к.т.н., доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Л.З. РОЛЬНИК, д.х.н., проф. кафедры общей, аналитической и прикладной химии

ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1).

E-mail: vladim_r@mail.ru, E-mail: rolnikk@mail.ru

Статья посвящена специфике изучения термохимии, преподаваемой в различных дисциплинах. Рассмотрена взаимосвязь между предметами, излагающими данную тему, а также предложено учитывать количество часов в зависимости от повторного рассмотрения материала в других дисциплинах.

Ключевые слова: тепловой эффект, общая химия, физическая химия, термохимия, химическая реакция, предмет, дисциплина.

В техническом вузе, как правило, на первом курсе изучают общеобразовательные естественные науки, одними из которых являются химия и физика. На последующих курсах отдельные знания из этих наук служат базой для освоения специальности, выбранной студентами.

В настоящей статье мы остановимся на рассмотрении изучения одного из разделов химии в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ).

Студенты всех факультетов УГНТУ на первом курсе изучают общую химию, в дальнейшем учебные программы большинства специальностей ограничиваются основными понятиями, приобретенными на первом курсе. Это не относится к технологическому факультету, на котором отдельные разделы химии, выделенные как отдельные предметы, изучаются на последующих курсах. В связи с этим некоторые темы пересекаются друг с другом и либо рассматриваются заново, либо изучаются в более расширенном виде.

Мы предлагаем рассмотреть изучение раздела термохимии. Дисциплина изучается как один из разделов общей химии на первом курсе и рассматривается в основном с точки зрения практического применения основного закона термохимии - закона Гесса к химическим реакциям [1].

Дается формулировка закона без толкования его происхождения, что вполне объяснимо с точки зрения ограниченного количества часов. Как известно, закон Гесса гласит, что тепловой эффект химических реакций зависит не от пути процесса, а только от вида начальных и конечных участников реакции. Так как закон имеет большое практическое значение благодаря следствиям, вытекающим из него, то, применяя их, студенты учатся вычислять тепловые эффекты различных

неорганических и органических реакций. Причем в расчетах тепловой эффект выражается через О. Это формальное обозначение теплового эффекта реакции, основанное на чисто визуальном восприятии: если повысилась температура (экзотермический процесс), то тепло прибыло (+), если понизилась температура (эндотермический процесс), то тепло убыло (-). Во времена открытия закона Гесса (1840) господствовала теория теплорода и, возможно, знаки означали прибыль или убыль этой тепловой субстанции. Однако при термохимических расчетах студенты обращаются к справочнику для нахождения стандартной теплоты образования или горения вещества. В справочниках эти величины даны в научном обозначении как АН Это изменение энтальпии системы АН, которая включает в себя внутреннюю энергию и и произведение параметров состояния ру: Н = и + ру.

Иногда студенты путаются в обозначениях. Согласно первому закону термодинамики, знак плюс или минус означает изменение внутренней энергии и или энтальпии Н, которые являются функциями состояния системы. Но как было сказано выше, закон Гесса появился при доминировании теории теплорода как свойства системы. Понятия внутренней энергии и энтальпии появились после открытия первого начала термодинамики. Теплота - это лишь форма передачи внутренней энергии на микроуровне, когда кинетическая энергия более «горячих» молекул передается «холодным». Но если что-то передается или отнимается, что, по сути, отрицательным быть не может. То же самое можно отнести и к работе. Она также характеризует процесс, но в отличие от теплоты - на макроуровне, когда перемещается масса. Мы не говорим, что в системе содержится столько-то теплоты или работы. Эти два

понятия подразумевают процесс. Вы можете дать человеку 5 яблок - и приращение будет положительным, при отнятии 5 яблок приращение будет отрицательным. Но переданные или отнятые 5 яблок знака не имеют. Если перевести яблоки на теплоту, то это означает, что в одном случае вы передали 5 джоулей энергии, а в другом случае отобрали 5 джоулей энергии. Конечно, чисто формально можно принять, что переданное тепло обозначается как плюс, а отнятое тепло как минус. Но к физическому смыслу понятия теплоты эти знаки отношения не имеют. В современных учебниках и справочниках теплота химических процессов представлена в основном как АН, так как большинство реакций протекает при p = const. Это означает, что поглощение тепла из окружающей среды приводит к росту энтальпии системы, а выделение тепла - кубыли. Поэтому величина АН имеет знак противоположный Q.

Знания термохимии в объеме курса общей химии достаточны для студентов нехимических специальностей. Студенты-технологи продолжают изучение термохимии в курсе физической химии. Что нового дается в лекциях в этом разделе? Если вернуться к закону Гесса, то в нем не оговариваются условия проведения эксперимента. Изучаемые им реакции проводились в изохорических или изобарических условиях. Любая жидкофазная реакция проходит в сосуде. Если пренебречь ничтожно малыми изменениями объема за счет энергетических взаимодействий атомов, то процесс можно считать изохорическим. Газофазные реакции протекают при сохранении режима постоянства давления, ибо в противном случае изменение давления в системе может приостановить сам процесс (при возрастании количества молей образующихся газов и соответственно повышении давления в системе процесс пойдет

История и педагогика естествознания 4 ■ 2017

в обратную сторону). Именно постоянство объема или давления при проведении химических реакций позволило Гессу сделать правильный вывод о независимости теплового эффекта химической реакции от пути реакции, а зависимости его только от вида начальных и конечных участников реакции. Это вытекает из первого начала термодинамики, открытого после закона Гесса. Но нередко открытие фундаментального закона подтверждает правильность ранее эмпирически найденного закона. Закон Гесса - это частный случай глобального первого закона термодинамики, ибо из него следует, что в изохорическом процессе теплота равна изменению внутренней энергии Аи, а в изобарическом - изменению энтальпии АН; а обе эти термодинамические характеристики являются функциями состояния системы и не зависят от пути перехода из одного состояния в другое.

И, тем не менее, основываясь на неверном представлении о теплоте как теплороде, был сделан правильный вывод, который позволил рассчитать теоретически тепловые эффекты многих неосуществимых на практике реакций.

Студенты-технологи, изучающие физическую химию, переходят к закону Гесса после рассмотрения первого начала термодинамики. Можно сказать, что открытие первого начала подтвердило ранее открытый закон, который является частным случаем глобального закона. Для закона Гесса характерно то, что вначале он был открыт на основании большого количества опытов, а затем подтвержден первым законом термодинамики.

Остановимся на разделе термохимии, который продолжается в курсе физической химии.

Целая лекция посвящается тому же закону Гесса и следствиям, вытекающим из него. Даются понятия стандартной теплоты образования и горения, что уже было пройдено ранее в курсе общей химии.

Что нового в изложении закона Гесса? Пожалуй, только то, что он подтверждается первым началом термодинамики и обретает физический смысл. А тем не менее есть возможность продвинуть термохимические расчеты для определения энергии связи в молекулах, энергии кристаллической решетки. Однако на эти расчеты не остается времени, причем для этого не надо обращаться к специальным литературным источникам. Примеры таких расчетов приведены в классических учебниках физической химии, рекомендуемых студентам.

Расчет для определения энергии связи представляет собой последовательное использование промежуточных

400

300

200

100

со

о

X

со со

-100 ё

-200

-300

-400

Рис. 1. Термохимические циклы для расчета теплоты образования

процессов [2]. Для вычисления атомной теплоты образования необходимо учесть теплоту возгонки твердых веществ и теплоту диссоциации молекул газообразных веществ на атомы.

Например, атомная теплота образования моля газообразной воды получается путем сопоставления теплоты следующих реакций:

H2 + 1/2O2 = H2O (г);

AH°> = - 242,18кДж

H2 = 2Н; aH° = 434,9 кДж O22 = 2O; II

2Н + О = H2O (г); AH°V = ?

AH° = 491,9 кДж

(I)

(II)

(III)

(IV)

Так как (IV) = (I) - (II) - 1/2(III), то

АН/ = -242,18 - 434,9 - 245,95 = = -923,1 кДж.

Циклы, изображенные на рис. 1, дают возможность вычислить теплоты любых входящих в них процессов.

Так, цикл, изображенный слева, который называется циклом Борна - Хабера, используется для расчета энергии кристаллической решетки. Так называется энергия, поглощаемая при разрушении одного моля кристаллического вещества с образованием газообразных одноатомных ионов, удаленных друг от друга (идеальный газ), или убыль энергии при обратной реакции. Вычислить энергию кристаллической решетки можно следующим образом.

Осуществим мысленно цикл Борна-Хабера, проводя последовательно процессы, указанные ниже:

I. Возгонка Ыа и диссоциация С12 на атомы:

N8 (т) ^ № (г); АН°а = 108,9 кДж. (1а) 1/2С12 ^ С1 (г); АНб = 121,6 кДж. (1б)

ДНО = ДН£-

ДНО = 230,5 кДж.

II. Ионизация атомов натрия и хлора: Na(r) ^ Na+(r) + е-; AH<°a = 496,9 кДж (IIa)

4■2017

История и педагогика естествознания

0

Cl (г) + е- =Ci" (г); АН°б = -365,8 кДж (|1б)

АИ° = АИЦа + АИ°1б = 131,1 кДж.

III. Соединение газообразных ионов с образованием моля кристаллического хлористого натрия:

Na+ (г) + Cl- (г) ^NaCi (т);

AH°i = ? (III)

Теплота обратной реакции и есть энергия кристаллической решетки:

и - - ппц1 ■

IV. Разложение моля кристаллического ЫаОI на исходные кристаллический натрий и молекулярный хлор. Теплота этого процесса равна стандартной теплоте образования кристаллического хлористого натрия Ор с обратным знаком:

NaCi (т) ^ №(т) + 1/2Cl2 (г); AH°V = -Qр = 411,5 кДж.

(IV)

Цикл замкнут, и суммарное изменение энтальпии равно нулю, то есть

ЕАН = 230,5 + 131,1 - и +411,5 = 0.

Отсюда энергия кристаллической решетки:

и = 773,1 кДж/моль.

Точность полученной величины определяется погрешностью наименее точно известного слагаемого, каким является сродство к электрону атома хлора. Эта величина часто находится из того же цикла Борна - Хабера; в этот цикл подставляется величина энергии кристаллической решетки, вычисляемая по уравнению Борна, которое учитывает энергию электростатического взаимодействия ионов в кристаллической решетке.

На рис. 1 изображены в качестве примера некоторые термохимические циклы, пользуясь которыми можно найти теплоту образования хлористого натрия при условии, конечно, что теплоты всех остальных процессов, входящих в цикл, известны (аналогичные циклы могут быть составлены для нахождения теплоты образования любых других соединений). По левому циклу теплота образования N8^ равна теплоте испарения N8 плюс теплота диссоциации С12 на атомы плюс теплота ионизации атомов N8 и С1 минус теплота образования кристаллической решетки №С1 из ионов. По малому среднему циклу теплота образования №С1 равна теплоте образования водного раствора ионов N8+ и С1- минус теплота растворения N8^.

С некоторой осторожностью хочется высказать свое мнение по поводу учебников. В переизданных учебниках нет примеров с новыми экспериментальными данными и процессами, хотя за последние десятилетия термодинамическая на-

ука сильно продвинулась, не говоря уже о новых авторах. Правда, издается множество внутривузовских пособий. Это фактически конкретизированные варианты классических учебников, изложенные в более доступной для восприятия предмета форме и соответствующие лекционному курсу преподавателя. Новые учебники для расширения и пополнения знаний специалистами и преподавателями пока не издаются. Возможно, есть новые издания в других странах. В этом случае могли бы быть переводные книги. Но их также нет. Этот вопрос мы уже рассматривали в предыдущих статьях [3, 4].

В принципе можно рассуждать так: что нового можно изложить в классической науке? В смысле открытия новых законов и их вольной интерпретации, конечно, ничего нового. Но в некоторых случаях грамотный анализ с дополнительными авторскими пояснениями физического смысла процессов и законов вполне назрел на современном этапе развития науки, не говоря уже о том, что можно было бы привести новые примеры и расчеты. За последние десятилетия наука продвинулась настолько далеко, что к каждой отдельной теме можно приложить множество новых исследований с термодинамическим освещением материала. Однако все переизданные учебники - это лишь переписка старых учебников с введением большей математизации процессов в ущерб физическому смыслу. В связи с этим как пример творческого изложения материала следует привести учебник О.С. Зайцева [5]. В учебнике отдельные главы излагаются со своим подходом к описанию термодинамики некоторых процессов с использованием интересных примеров. Возможно, перемены в России затормозили создание новых учебников.

Вернемся к теме данной статьи - термохимии.

Речь идет о том, как перекликаются знания по термохимии, изучаемые в курсах различных предметов, и что является повторением и, возможно, требует пересмотра программы. Так, сам собой напрашивается вопрос: зачем тратить часы на уже пройденный материал? Можно сослаться на известное изречение: повторение - мать учения. Все бы хорошо, если бы повторение не заняло место других тем, которые задаются для самостоятельного изучения.

Новым изучаемым материалом по термохимии, не рассматриваемым ранее в курсе общей химии, является зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры с выводом формулы Кирхгоффа. Рассматривается также вопрос зависимости теплового эффекта химической реакции от давления,

хотя это влияние несущественно. Эта тема изучается только в разделе «Физическая химия».

Предлагаем остановиться еще на одной термохимической величине - теплоте растворения, которая не рассматривается ни в одном из предметов химии, хотя она играет важную роль при изучении процессов в растворах.

При смешении жидкостей и растворении в жидкостях твердых тел и газов происходит поглощение или выделение теплоты, которое нередко достигает значительной величины. Эта теплота определяется экспериментально путем непосредственного смешения компонентов в калориметре, а также может быть вычислена из других термодинамических величин.

Обычно теплота растворения рассчитывается на моль растворенного вещества, однако для растворов жидких компонентов она нередко относится к одному молю раствора.

Теплота растворения зависит от относительных количеств смешиваемых компонентов и от того, были ли они вначале взяты в чистом виде или один из них вводился в раствор с некоторой начальной концентрацией. Поэтому существуют разные единицы для характеристики теплоты растворения. Наибольшее применение имеет интегральная теплота растворения. Это теплота, выделяющаяся или поглощающаяся при растворении 1 моля вещества в чистом растворителе. Так как растворитель может иметь различную массу, то в справочниках указана моляльная концентрация раствора. Умение пользоваться данными по интегральной теплоте растворения позволяет рассчитать теплоту при смешении различных количеств компонентов раствора.

Можно привести следующий пример: определить теплоту растворения 9 г КС1 в 600 мл воды.

Число молей соли - т/МК(С = 0,12.

Моляльная концентрация раствора т = 0,12-1000 600 = 0,12 моль/кг (Н2О).

Находим в справочнике интегральную теплоту растворения КС1 для данной концентрации раствора - АН = 17, 56 кДж.

Так как заданная концентрация раствора приготовлена из 0,12 моля КС1, то проводим пересчет - 0,12-17,56 = 2,1 кДж.

Теплота растворения 9 г КС1 в 600 мл воды равна 2,1 кДж.

Зависимость интегральной теплоты растворения Оп одного моля вещества от числа молей растворителя п может быть выражена эмпирической формулой. Вид этой формулы в случае смешения разных веществ может быть различным.

Известна формула Томсена для теплоты растворения СиС12-2Н2О в воде

Ы

История и педагогика естествознания

4■2017

с образованием раствора, содержащего п молей воды на моль соли (СиС12):

Qn = 3,3 - 21,0

n-10 n + 11,24

кДж.

Из этой формулы следует, что растворение СиС!22Н2О в 8 молях воды (раствор содержит 10 молей воды на 1 моль

СиС12; п = 10) сопровождается поглощением 3,3 кДж теплоты.

При растворении же в очень большом количестве воды (п = да) выделяется 17,7 кДж теплоты. Таким образом, знак интегральной теплоты растворения меняется при изменении количества растворителя; теплота растворения при п = 14 равна нулю.

К сожалению, из-за нехватки часов эта тема в разделе термохимии не рассматривается.

В заключение можно предложить, чтобы преподаватель учитывал ранее изучаемый материал по данной теме, а также в параллельно преподаваемых дисциплинах. Это позволит наиболее оптимально использовать выделенные на данный предмет часы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособ. М.: Кнорус, 2011. 752 с.

2. Герасимов Я.И., Древинг В.П., Еремин Е.Н. и др. Курс физической химии. Т. 1: учеб. пособ. / под общ. ред. Я.И. Герасимова. М.: Химия, 1970. 592 с.

3. Бикчентаева А.Г., Репин В.В., Рольник Л.З. О взаимосвязи некоторых разделов физической химии с другими дисциплинами // Мат. VII Всерос. науч. интернет-конф. по био и органической химии и биотехнологии. Уфа: УГНТУ. 2013. C. 128-129.

4. Бикчентаева А.Г., Репин В.В., Рольник Л.З. О взаимосвязи термодинамических функций, изучаемых в различных дисциплинах // История и педагогика естествознания. 2014. № 2. С. 23-25.

5. Зайцев О.С. Химия: учеб. М.: Юрайт, 2015. 469 с.

ON THE INTERDEPENDENCE OF VARIOUS DISCIPLINES IN THE STUDY OF THERMOCHEMISTRY

BIKCENTAEVA A.G., Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof. of the Department of Physical and Organic Chemistry

REPIN V.V., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Industrial Thermal Power Engineering Department

ROLNIK L.Z., Dr. Sci. (Chem.), Prof. of the Department of General, Analytical and Applied Chemistry

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia).

E-mail: vladim_r@mail.ru, E-mail: rolnikk@mail.ru

ABSTRACT

The article is devoted to the study specific of thermo-chemistry, taught in various disciplines. It was examined the interdependence between subjects,

outlining the topic and proposed to take into account the number of hours depending on the re-consideration of material in other disciplines.

Keywords: thermal effect, General chemistry, physical chemistry, thermochemistry, chemical reaction, subject, discipline.

REFERENCES

1. Glinka N.L. Obshchaya khimiya [General Chemistry]. Moscow, Knorus Publ., 2011. 752 p.

2. Gerasimov YA.I., Dreving V.P., Yeremin Ye.N. Kurs fizicheskoy khimii. T. 1 [The course of physical chemistry. Vol. 1]. Moscow, Khimiya Publ., 1970. 592 p.

3. Bikchentayeva A.G., Repin V.V., Rol'nik L.Z. O vzaimosvyazi nekotorykh razdelov fizicheskoy khimii s drugimi distsiplinami [On the relationship of some sections of physical chemistry with other disciplines]. Trudy VII Vseros. nauch. internet-konf. po bio -i organicheskoy khimiii biotekh-nologii [Proc. VII All-Russian scientific Internet-conference on bio and organic chemistry and biotechnology]. Ufa, 2013, pp. 128-129.

4. Bikchentayeva A.G., Repin V.V., Rol'nik L.Z. On interrelation of thermodynamic functions studied in various disciplines. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2014, no. 2, pp. 23-25 (In Russian).

5. Zaytsev O.S. Khimiya [Chemistry]. Moscow, Yurayt Publ., 2015. 469 p.

4■2017

История и педагогика естествознания