3.8 ΔrHm与温度的关系
反应热随压力的变化较小,一般不予考虑;反应热随温度的变化可利用基尔霍夫(Kirchhoff)定律进行计算;对于非等温反应,可利用焓的状态函数性质设计过程进行计算。
3.8.1 不同温度的反应焓计算
在298.15K时可以用摩尔生成焓、摩尔燃烧焓和赫斯定律来计算反应的焓变。当在非常温下,等压反应的焓变如何计算呢?
设在恒压、某温度T时发生一化学反应:
反应的焓变为
ΔrHm=bHm,B-aHm,A
若反应温度改变dT,则其焓变的增量为dΔrHm,因处于恒压条件下,故有
故 dΔrHm=ΔCpdT (3.80)
对式(3.80)作不定积分,得
ΔrHm(T)=∫ΔCpdT+常数 (3.81)
对式(3.80)作定积分,得
或改写为
(3.82)
式(3.80)、式(3.81)、式(3.82)为基尔霍夫(Kirchhoff)定律的数学表达式,可根据该公式进行不同温度下的反应焓的计算。
例题3-13 试利用标准摩尔生成焓计算、1000K反应的摩尔反应焓变:。
解:查表得298K标准态时各物质的标准生成焓
∴
又 Cp,m,C=[17.15+0.00427T-879000T-2]J/(K·mol)
Cp,m,CO=[28.41+0.00410T-46000T-2]J/(K·mol)
故
关于应用基尔霍夫定律的几点说明
(1)由于298K的反应焓变可利用物质的标准生成焓、标准燃烧焓及赫斯定律求得,因此通常T1选为298K。
(2)在反应物和产物变温过程中,如果有相变过程,应分段积分,将相变焓变考虑其中。
(3)若各Cp,m不随温度而变化,或变温区间不大,Cp,m可看成常数,则
ΔrH2=ΔrH1+ΔCp(T2-T1)
(4)若Cp,m是温度的函数,如经验公式Cp,m=a+bT+cT2或Cp,m=a+bT+c'T-2,此时基尔霍夫定律积分式为:
习题:
3-23 SATP下液态水的生成热为-285.8kJ/mol,又知298~373K的温度区间内,H2(g)、O2(g)、H2O(l)的Cp,m分别为28.83J/(K·mol)、29.16J/(K·mol)、75.31J/(K·mol),试计算373K时液体水的摩尔生成热。(-283.4kJ/mol)
3.8.2 非等温反应
若化学反应产生或吸收的热量不能及时与环境发生交换,则会使体系的温度发生变化,造成反应体系起始温度与终了温度不相等,此种情况下的反应称为非等温反应。一些恒压条件下的快速反应如燃烧反应、爆炸反应等均属于非等温反应。在实际化工生产中,对于非等温反应一般是求算反应的终态温度。
下面我们以化学反应体系与环境之间无热量交换的极端情况——绝热反应为例进行讨论。若在绝热情况下进行了一化学反应,始态温度已知,体系的终态温度可设计如下过程求算:
该过程把体系始态从T1改变到298.15K,反应在298.15K进行,然后再把产物从298.15K改变到T2。
ΔγH298.15值可从标准摩尔生成焓或燃烧焓计算求得。
由于焓是状态函数,该体系又是绝热体系,故
ΔH1+ΔrH298.15+ΔH2=0 (3.83)
方程(3.83)中只有T2为未知数,解该方程即可得到终态的温度T2。
例题3-14 在298K、时把甲烷与理论量的空气(O2:N2=1:4)混合后,在恒压下使之燃烧,求体系所能达到的最高温度(即最高火焰温度)。
解:燃烧反应是瞬时完成的,因此可看作是绝热反应。反应为
1mol CH4(g)在供给理论量的空气时需2mol O2(g),剩余8mol N2(g),N2虽未参与反应,但它的温度随着改变,因此也要吸收热量。设想体系在298K(T1)时进行反应,而后再改变终态的温度到T2,设计过程为
由表查出标准生成焓
查、、与温度的关系式(为方便计算,舍去第三项)
又因为
代入数据,
解之,得 T=564K
习题:
3-24 试估算SATP条件下切割金属的乙炔与压缩空气燃烧的火焰可能达到的最高温度。设空气由O2、N2组成,其物质的量之比为1:4;已知298K时C2H2(g)、CO2(g)、H2O(g)、N2(g)的标准摩尔生成焓分别是226.7kJ/mol、-393.5kJ/mol、-241.8kJ/mol、0kJ/mol,平均定压摩尔热容分别为43.93J/(K·mol)、37.10J/(K·mol)、33.58J/(K·mol)、29.12J/(K·mol)。(3445K)
关于温度与反应焓变关系的说明
(1)对于有部分热量交换的体系,若可确定交换的热量,则计算反应后温度T2的方法类似于绝热反应。
(2)实际生产中,反应常常既不在完全等温又不在完全绝热的条件下进行,并且也可能产生一些副反应,但是有了等温和绝热这两种理想情况的计算,其结果对生产就有了很大的指导价值。