Химическая термодинамика. Энергетика химических процессов

Химическая термодинамика и кинетика

Тесты по теме

1.Чему равна процентная концентрация раствора серной кислоты, полученного при растворении 18г кислоты в 282мл воды?

а) 5%; б)6%; в) 8%.

2.Какая среда соответствует раствору, рН которого равна 2?

а) нейтральная; б) щелочная; в) кислая.

3. Какие размеры частиц характерны для коллоидных растворов?

а) менее 1 нм; б) 1 – 100 нм; в) более 100 нм.

4.Чем обусловлена агрегативная устойчивость коллоидных растворов?

а)малым размером частиц дисперсной фазы; б)наличием поверхности раздела фаз; в)наличием электрического заряда и поверхности раздела фаз.

5.Какой металл разрушается при электрохимической коррозии оцинкованного железа? Е⁰_Zn = -0.76 В, Е⁰_Fe = -0.44 B.

а) цинк; б) цинк и железо; в) железо.

Термодинамика – наука, изучающая общие законы взаимного превращения энергии из одной формы в другую. В химической термодинамике эти законы применяются к рассмотрению химических и физико-химических процессов.

Выгодно ли энергетически протекание той или иной химической реакции, т.е. может ли она протекать самопроизвольно без подвода энергии извне?

На этот вопрос дает ответ термодинамическая функция - энергия Гиббса (потенциал Гиббса) DG

DG = DH - TDS

DG < 0 – реакция протекает самопроизвольно;

DG = 0 – реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. реакция обратима и находится в состоянии химического равновесия;

DG > 0 – реакция не может протекать самопроизвольно.

Первая составляющая этого уравнения DН – изменение энтальпии реакции, численно равное изменению энергии при протекании химической реакции при постоянном давлении.

Изменение энергии системы при протекании в ней химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектом реакции.

Реакции, идущие с выделением теплоты и понижением энтальпии называются экзотермическими. (Q>0, DH<0). Например, реакция образования воды – экзотермическая.

Н₂ (г) + 1/2О₂(г) = Н₂О(ж) DH⁰ ₂₉₈= -285,8 кДж

Реакции, идущие с поглощением теплоты и повышением энтальпии называются эндотермическими (Q<0, DH>0). Например, реакция образования оксида азота – эндотермическая.

N₂(г) + О₂(г) = 2NO(г) DH⁰ ₂₉₈ = + 180, 75 кДж

Изменение энтальпии химической реакции ( DH_р.) равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

DH_р = åDH_{прод. р.}-åDH_{исх. в}

DH – функция состояния системы и ее изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием систем.

Энтальпию образования простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа (стандартные условия) принимают равной нулю. Тепловые эффекты реакций образования сложных веществ при стандартных условиях (DH⁰₂₉₈, кДж/моль) сведены в справочники в таблицы термодинамических характеристик.

Во многих случаях расчет теплового эффекта химической реакции с помощью данных таблиц термодинамических характеристик веществ невозможен, поэтому его определяют экспериментально на приборах – калориметрах.

В технических расчетах часто используют удельную теплоту, отнесенную к 1 кг жидкого или твердого вещества и 1 м³ газа. Например, определяя калорийность пищи, рассчитывают удельную теплоту сгорания пищи до образования высших оксидов (углекислого газа и воды).

Вторая составляющая энергии Гиббса TDS – произведение температуры T(в градусах Кельвина) на DS – энтропию реакции.

Энтропия химической реакции – термодинамическая функция, мера неупорядочности состояния системы.

Допустим, что система, содержит 1 моль вещества – 6,02×10²³ частиц, двигающихся в различных направлениях. Их движение описывается мгновенными координатами и скоростями, т.е. микросостояниями системы. Число микросостояний системы называется термодинамической вероятностью системы, функцией которой является энтропия.

По мере увеличения температуры растет скорость движения частиц, увеличивается число микросостояний, результатом которого является увеличение энтропии. Поэтому при переходе из кристаллического состояния в жидкое (плавление) и далее к газообразному (кипение) энтропия увеличивается.

Стандартные энтропии веществ S⁰₂₉₈, Дж/(моль×К) приведены в таблицах термодинамических величин. Стандартные энтропии простых веществ, в отличие от энтальпии, не равны нулю.

Изменение энтропии химической реакции ( DS_р.) равна сумме энтропий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтропий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

DS_р = åS_{прод. р.}-åS_{исх. в}

Химические реакции обычно сопровождаются изменениями, как энтропии, так и энтальпии.

Как и в случае DH и DS, изменение энергии Гиббса DG в результате химической реакции равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ. Суммирование производят с учетом числа молей участвующих в реакции веществ.

DG _р = åDG _{прод. р.}-å DG _{исх. в}

DG⁰ образования простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении

100 кПа (стандартные условия) принимают равной нулю.

Рассмотрим, при каких значениях температуры, энтальпии и энтропии, потенциал Гиббса будет принимать отрицательные значения, т.е. реакция будет протекать самопроизвольно,.DG⁰ ₂₉₈< 0

1. При любых значениях T, если

DH< 0 - реакция экзотермическая,

DS>0 –для реакции, идущей с увеличением числа молей газообразных веществ. Например, реакция горения бензола:

C₆H₆ (ж) + 7,5O₂(г) = 6CO₂ (г)+ 3H₂O (г)

2. При достаточно низких температурах, если

DH< 0 - реакция экзотермическая.

DS< 0 - для реакции, идущей с уменьшением числа молей газообразных веществ. Например, реакция образования аммиака:

3Н₂ + N₂ = 2NH₃

3. При достаточно высоких температурах, если

DН>0 – реакция эндотермическая,

DS>0– в результате реакции возрастает число молей газообразных веществ. Например: N₂O₄ ® 2NO₂

Дата добавления: 2014-12-27