Termochemia jest badaniem energii i ciepła związanego z reakcjami chemicznymi i przemianami fizycznymi (zmianami fizycznymi). Przemiany fizyczne zachodzą wtedy, gdy stan materii (np. ciało stałe lub płyn) zmienia się na inny stan. Przykłady transformacji obejmują topnienie (gdy ciało stałe staje się cieczą) i wrzenie (gdy ciecz staje się gazem). Termochemia analizuje, ile energii jest pochłaniane lub wydzielane podczas takich procesów oraz w jaki sposób energia ta jest przekazywana między systemem a otoczeniem.

Podstawowe pojęcia i wielkości

W termochemii ważne są pojęcia takie jak entalpia (oznaczana często jako ΔH), energia wewnętrzna (ΔU), ciało i otoczenie, a także praca i ciepło jako sposoby przekazywania energii. Reakcja może oddawać energię do otoczenia (być egzotermiczna) lub pobierać energię z otoczenia (być endotermiczna). Pomocne są standardowe warunki (zwykle 25 °C i 1 atm) oraz wartości takie jak standardowe ciepło tworzenia (ΔHf°).

Reakcja daje lub pobiera energię. Przemiana fizyczna również daje lub pobiera energię. Termochemia przygląda się tym zmianom energetycznym, szczególnie w zakresie wymiany energii systemu z otoczeniem. Termochemia jest przydatna do przewidywania ilości reagentów i produktów przez cały czas trwania danej reakcji. Termochemicy robią to wykorzystując dane, w tym oznaczenia entropii. Termochemicy stwierdzą, czy reakcja jest spontaniczna czy nie, korzystna czy niekorzystna. Do oceny spontaniczności służy przede wszystkim wielkość energia swobodna Gibbsa ΔG, związana zależnością ΔG = ΔH − TΔS (gdzie ΔS to zmiana entropii), przy czym dla procesów przy stałej temperaturze i ciśnieniu: ΔG < 0 oznacza reakcję spontaniczną.

Pomiary i metody

Najprostszą metodą wyznaczania ilości ciepła wymienianego podczas procesu jest kalorymetria — pomiar zmiany temperatury znanej masy substancji i obliczenie przekazanego ciepła przy użyciu wzoru Q = mcΔT (gdzie m to masa, c to ciepło właściwe, ΔT to zmiana temperatury). Do pomiarów praktycznych stosuje się różne rodzaje kalorymetrów, m.in.:

  • kalorymetr bombowy — używany dla reakcji spalania (zamknięty układ, pomiar przy stałej objętości),
  • kalorymetr przy stałym ciśnieniu — odpowiedni do pomiaru ΔH dla reakcji w roztworach,
  • skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) — mierzy strumień ciepła związany z przemianami fazowymi i reakcjami w funkcji temperatury.

W praktyce trzeba uwzględnić poprawki na straty ciepła, ciepło kalorymetru (stała kalorymetryczna) oraz ewentualne ciepło rozpuszczania lub mieszania. W wielu obliczeniach korzysta się też z prawa Hessa — suma entalpii etapów reakcji równa się entalpii reakcji całkowitej — co pozwala obliczać ΔH dla reakcji, których bezpośrednio nie można zmierzyć.

Wielkości używane w termochemii i ich znaczenie

Reakcje endotermiczne przyjmują ciepło. Reakcje egzotermiczne oddają ciepło. Termochemia łączy w sobie pojęcia termodynamiki z ideą energii w postaci wiązań chemicznych. Obejmuje ona obliczenia takich wielkości jak pojemność cieplna, ciepło spalania, ciepło tworzenia, entropia, entropia, wolna energia i kalorie. W praktyce używa się jednostek SI (dżule, J) oraz jednostek historycznych (kalorie) — przy czym 1 cal ≈ 4,184 J.

Zastosowania i przykłady

Termochemia ma szerokie zastosowania: w energetyce (ocena wydajności paliw i reakcji spalania), w przemysłowych procesach chemicznych (optymalizacja warunków reakcji i bilans energetyczny), w syntezie materiałów (kontrola warunków tworzenia związków) oraz w naukach biologicznych (analiza procesów metabolicznych i stabilności białek). Przykładowo, obliczając ciepło spalania paliwa można przewidzieć ilość uwolnionej energii, a określając ciepło parowania i topnienia można zaplanować procesy separacji i obróbki termicznej materiałów.

Podsumowując, termochemia dostarcza narzędzi do ilościowego opisu przemian energetycznych w reakcjach i przemianach fazowych, łączy pomiary eksperymentalne z zasadami termodynamiki i umożliwia przewidywanie zachowania układów chemicznych w różnych warunkach.