Лекція V. Основні закономірності протікання хімічних реакцій. Хімічна рівновага

План:

1. Енергетика хімічних реакцій. Термодинаміка. Параметри стану. Функції стану.

2. Внутрішня енергія. Перший закон термодинаміки.

3. Ентропія. Другій закон термодинаміки.

4. Критерії спрямованості самочинних процесів.

5. Термохімія. Основні закони термохімії.

Термодинаміка це наука, яка вивчає закони взаємних перетворень різних видів енергії, стан рівноваги, залежність його від різних факторів, а також можливість, спрямованість і межу протікання самочинних процесів. В даний час на основі законів термодинаміки досліджуються процеси, що протікають в електричних і холодильних машинах, компресорах, двигунах внутрішнього згорання, реактивних двигунах, гальванічних елементах, акумуляторах і т. ін.

Об'єктом вивчення термодинаміки є система. Системою називається частина простору, яка заповнена речовиною або сукупністю речовин, і яка здатна обмінюватись з іншими системами речовиною і енергією. Система складається із фаз. Фаза це частина гетерогенної системи, яка відділена межею поділу і характеризується однаковими фізичними властивостями у всіх своїх точках.

Стан системи визначається сукупністю її фізичних і хімічних властивостей. Величини, що визначають властивості системи, називаються параметрами стану. Це температура, тиск, об'єм (Т, Р, V). Доки параметри залишаються незмінними, вважають, що система перебуває в стані термодинамічної рівноваги. Але в системі можуть протікати певні процеси. Під процесом розуміють всяку зміну стану системи, яка супроводжується зміною хоч одного параметру. Процеси класифікують в залежності від того, який параметр залишається сталим (ізобарний Р=const, ізотермічний T=const, ізохорний V=const). Зміна будь-якого з параметрів стану призводить до зміни стану системи.

Властивості системи, наприклад, рівень її енергії, які залежать від параметрів стану, але не залежать від шляху, яким система прийшла в даний стан, називаються функціями стану. Цевнутрішня енергія, ентальпія, ентропія, ізобарно-ізотермічний потенціал або енергія Гіббса.

Внутрішня енергія.. Внутрішня енергія системи складається з кінетичної енергії поступового, обертального і коливального рухів молекул (атомів), енергії міжмолекулярної взаємодії, енергії руху електронів в атомах і т. ін.. Отже, під внутрішньою енергією розуміють усі види енергії, крім кінетичної енергії системи в цілому і потенційної енергії положення тіла. Абсолютні значення внутрішньої енергії речовин в даний час невідомі, тому що не можна призвести систему в стан, який позбавлений енергії. Звичайно визначають зміну внутрішньої енергії (ΔU) системи, що відбувається в тому або іншому процесі.

Припустимо, що система в під час певного процесу переходить із стану 1 у стан 2, тоді зміна внутрішньої енергії дорівнює:

ΔU = U₂ - U₁, де

U₂ - внутрішня енергія системи в кінцевому стані,

U₁ - внутрішня енергія системи в початковому стані.

Відповідно до першого закону термодинаміки, теплота (Q), яка поглинута або виділена системою, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи ( Δ U) і на здійснення системою роботи (А) проти зовнішніх сил:

Q = ΔU + А.

Представлене рівняння відображує закон збереження енергії.

Перший закон термодинаміки має декілька визначень, серед них таке: якщо в будь-якому процесі енергія певного виду зникає на заміну їй з¢являється енергія іншого виду в еквівалентній кількості.

Більшість хімічних процесів - ізобарні (P=const), тобто протікають у відкритих системах, наприклад, у колбах, пробірках при Р=1 атм (101325 Па). Тоді теплота, яка поглинута або виділена в процесі, дорівнює зміні внутрішньої енергії системи і роботі розширення:

(13)

індекс “р” вказує на незмінність тиску.

В умовах ізобарного процесу, величина роботи (А) дорівнює добутку тиску Р на зміну об¢єму системи:

А=РDV, де DV=V₂ – V₁ – це є зміна об¢єму системи.

Якщо підставити в рівняння (1):

DU=U₂–U₁ і A=РDV=P(V₂–V₁), отримаємо .

Позначимо суму (U + PV) літерою H, отримаємо Q_p = H₂ – H₁

або Q_p = DH. Функція Н називається ентальпією.

Таким чином, теплота, яка поглинається або виділяється в ізобарно-ізотермічному процесі, дорівнює зміні ентальпії.

Ентальпія – така ж важлива властивість системи, як і внутрішня енергія. Вона є функцією стану системи; її зміна (DН) визначається тільки початковим і кінцевим станом системи і не залежить від шляху процесу.

Процеси, внаслідок яких ентальпія системи збільшується (H₂>H₁, тобто DН>0), називаються ендотермічними, вони супроводжуються поглинанням тепла. Процеси, при яких ентальпія зменшується (H₂<H₁, тобто DН<0), називаються екзотермічними, в ході таких процесів відбувається виділення тепла.

При ізохорному процесі, оскільки зміни об¢єму системи не відбувається, А=0, рівняння (1) матиме вигляд Q_V = DU (індекс “v” - незмінність об¢єму.

Таким чином, теплота, яка поглинається або виділяється в ізохорному процесі, дорівнює зміні внутрішньої енергії системи.

Дата добавления: 2014-11-16