Глава 9. Термохимия (Thermochemistry)¶
Химические реакции — например, те, что идут при зажигании спички, — сопровождаются изменениями не только вещества, но и энергии. Общество на любом уровне развития не смогло бы существовать без энергии, высвобождаемой химическими реакциями. В 2012 году около 85 % потребления энергии в США приходилось на сжигание нефтепродуктов, угля, древесины и бытовых отходов. Эту энергию используют для производства электричества (38 %); для перевозки продуктов, сырья, готовых изделий и людей (27 %); в промышленном производстве (21 %); для обогрева и обеспечения работы домов и предприятий (10 %). Помогая удовлетворять важнейшие энергетические потребности, эти реакции горения, по мнению большинства учёных, вносят и существенный вклад в глобальное изменение климата.
Полезные формы энергии можно получать и в результате химических реакций, отличных от горения. Например, энергия, которую отдают батарейки в мобильном телефоне, автомобиле или фонарике, — это результат химических превращений. В этой главе вводятся основные понятия, необходимые для изучения связи между химическими изменениями и энергией; основное внимание уделено тепловой энергии.
Химическая связь — это просто ещё одна форма энергии, и её прочность выражается в тех же единицах, что и в любых других процессах, связанных с энергией: в джоулях (или килоджоулях), а в пересчёте на 1 моль — в Дж/моль или кДж/моль. Все рассмотренные ранее принципы, относящиеся к энергии, применимы к энергиям связей точно так же, как и к любым другим формам энергии: энергия может менять форму, поглощаться или выделяться, но не может ни возникать из ничего, ни исчезать. Энергию химической связи характеризуют энтальпией связи, которую по соглашению считают равной энергии, необходимой для разрыва этой связи. Такое же количество энергии выделяется при образовании связи. Поскольку химическая реакция связана с разрывом одних связей и образованием других, изменение энтальпии реакции можно оценить, проанализировав связи, разорванные и образовавшиеся в ходе реакции. Этот подход даёт оценку суммарной энтальпии, однако гораздо более точный метод — расчёт через энтальпии образования; то, что, например, связь O–H в воде и связь O–H в уксусной кислоте могут заметно различаться, и объясняет расхождения при вычислении \(\Delta H\) через энтальпии связей и через энтальпии образования.