Энергетика химических реакций (стр. 1 из 3)

I. Химическая термодинамика – это раздел физической химии, которая изучает превращения различных видов энергии при химических реакциях, процессах растворения, кристаллизации. Химическая термодинамика исследует возможности и границы самопроизвольного протекания физических процессов. Объектом изучения в термодинамике является термодинамическая система, под которой понимают условно выделенную из пространства совокупность тел, между которыми возможен масса- и теплообмен.

Системы, которые могут обмениваться с окружающей средой и энергией и веществом называются открытыми. Системы, которые обмениваются только энергией, называются закрытыми.

Если между средой и системой отсутствует и тепло- и массообмен – это изолированная система.

Различают также гомогенные системы, состоящие из одной фазы и гетерогенные, состоящие из нескольких фаз. Реакции, которые протекают на границе раздела фаз – гетерогенные.

Совокупность свойств системы называется состоянием системы. Одна и та же система может находиться в различных состояниях. Каждое состояние характеризуется определённым набором значений термодинамических параметров.

Параметры, описывающие состояние системы, называются параметрами состояния.

Они делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные не зависят от размера системы, а зависят от температуры и давления, экстенсивные зависят от массы и объёма. Изменение одного из параметров приводит к изменению состояния в целом.

Состояние системы называется равновесным, если параметры системы во времени самопроизвольно не изменяются. Неравновесная система – параметры во времени изменяются.

Состояние системы и происходящие в ней изменения определяются так же с помощью функций состояния. Функции состояния – внутренняя энергия, энтропия, изобарный, изотермический потенциал.

Переход системы из 1-го состояния во 2-ое называется процессом.

1.

– изотермический процесс

2.

– изохорный процесс

3.

– изобарный процесс

Основной функцией состояния системы является её полная энергия, которая является суммой 3-х состояний:

кинетическая энергия движущейся системы, потенциальная энергия обусловленная воздействием на систему внешних силовых полей, внутренняя энергия.

При термодинамическом описании системы

, ; и включает в себя энергию всех форм движения молекул, атомов, электронов; энергию межмолекулярного взаимодействия; внутреннюю атомную и внутреннюю ядерную энергию.

Экспериментально внутреннюю энергию

определить нельзя, можно определить лишь её изменение : .

II. Если система обменивается с внешней средой тепловой энергией

и механической энергией (работой) и переходит из 1-го состояния во 2-ое, то согласно 1-му началу термодинамики – количество энергии, которое выделяется или поглощается системой в виде теплоты и работы , равно изменению полной энергии системы , т.е. при переходе из 1-го состояния во 2-ое: .

Для изохорного процесса (при

) тепловой эффект реакции при температуре T соответствует изменению внутренней энергии системы в ходе реакции: .

Для изобарного процесса (

):

, следовательно

или , откуда получаем

.

Функция

обозначается через и называется энтальпия.

Энтальпия – есть функция состояния системы, имеет размерность энергии.

III. Сущность химических реакций сводится к разрыву связей в исходных веществах и образованию связей в продуктах реакции. Т.к. образование связей протекает с выделением энергии, а разрыв с поглощением энергии, то химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами. Раздел термодинамики, который изучает тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией.

Энергия, которая выделяется и поглощается, называется тепловым эффектом химической реакции.

Если прочность связей в продуктах реакции больше чем в реагентах, то выделяется энергия в виде теплоты

.

Процессы, протекающие с выделением теплоты называются экзотермическими, а с поглощением – эндотермическими.

Тепловой эффект эндотермической реакции считают положительным «+» (поглощение тепла), а экзотермической – отрицательным «−» (выделение тепла).

Тепловой эффект в изобарных условиях определяется изменением энтальпии

, в изохорных условиях – изменением внутренней энергии , т.е. для экзо- , , для эндо- , для .

Величины

и сильно различаются только для систем, в которых вещества в газообразном состоянии.

Для систем, в которых вещества находятся в конденсированном состоянии изменение объёма в ходе реакции мало, т.е.

, тогда ; .

При термомеханическом описании реакции опускают

, , говорят только об изменении энтальпии :

Закон Гесса: тепловой эффект химической реакции протекающий или при

или при не зависит от числа промежуточных стадий, а определяется лишь конечным и начальным состоянием системы.

Тепловой эффект реакции зависит от природы регентов и продуктов реакции, их агрегатного состояния, условия проведения реакции, а также от количества, участвовавшего в реакции.

Поэтому тепловой эффект принято относить к 1-му моль вещества и определять его в стандартных условиях:

, , .