Внутренняя энергия

НАПРАВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

ЭНТРОПИЯ

ЭНЕРГИЯ ГИББСА.

ЗаКОНЫ ТЕРМОХИМИИ.

ЭНТАЛЬПИЯ

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ.

Химическая термодинамика

Катализаторы и каталитические процессы

Скорость химической реакции может регулироваться с помощью катализатора. Катализатор - это вещество, изменяющее u химической реакции и остающееся после химической реакции в неизменном состоянии. А само изменение u химической реакции в присутствии катализатора – называется катализом. Катализаторами могут быть различные вещества в любом из 3^х агрегатных состояний: кислоты, соли, металлы, оксиды и т.д. В ряде случаев каталитическое воздействие оказывают примеси, пыль, поверхность стенок сосуда, продукты реакции. Иногда катализатор образуется в ходе каталитического процесса, такие реакции называются автокаталитическими.

В ряде случаев присутствие некоторых веществ замедляет или полностью подавляет действие катализаторов. Такие вещества называются ингибиторами или каталитическими ядами.

Каталитическое воздействие смеси различных катализаторов иногда превосходит действие отдельных катализаторов.

Увеличение активности катализатора часто наблюдается при добавлении к катализатору веществ, которые сами по себе не являются катализаторами. Такие вещества называют паромоторами или активаторами.

Механизм воздействия катализатора объясняется с точки зрения промежуточных соединений: катализатор с одним из реагирующих веществ образует нестойкое промежуточное соединение, которое легко реагирует с другим из реагирующих веществ.

Пример: А + В ¾ ^К ®АВ: 1) А + К ®АК 2) АК + В ®АВ + К

Каталитические реакции подразделяются на реакции гомогенного и гетерогенного катализа.

Гомогенный: когда катализатор и реагирующие вещества образуют однородную систему.

Гетерогенный: катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах (чаще всего катализатор - твердое тело, вещества - в жидкой фазе).

Как правил, все гетерогенные каталитические реакции протекают в несколько стадий: 1. Сближение молекул реагирующих веществ; 2. ориентация молекул на активных центрах катализатора; 3. абсорбция молекул реагирующих веществ, сопровождающаяся деформацией связей в молекулах; 4. химическое превращение абсорбирующих молекул; 5. десорбция продуктов реакции; 6. удаление этих продуктов с поверхности катализатора.

Каждое химическая термодинамическая система, при постоянных физических условиях (р, Т) обладает определенным запасом энергии, называемым внутренней энергией. Внутренняя энергия системы, содержащей только это вещество, представляет собой энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц вещества и энергию взаимодействия этих частиц, но не включает кинетическую энергию движения системы как целого и ее потенциальную энергию во внешних силовых полях.

Термодинамическая система — произвольно выбранная часть пространства, содержащая одно или несколько веществ. От окружающей среды система отделена реальной или воображаемой оболочкой (поверхностью раздела). Для неизолированных систем (закрытых, открытых) возможна передача энергии через поверхность раздела. Для изолированных систем обмен энергией с окружающей средой невозможен. Абсолютно изолированные системы являются лишь полезной абстракцией и реально не существуют.

Внутренняя энергия (DU) — это функция состояния системы и ее не следует путать с параметрами (физическими условиями) существования вещества — температурой и давлением (или объемом V). Значения р, Т и V доступны для непосредственного измерения, а определить запас внутренней энергии вещества невозможно. Для химии интерес представляет не само абсолютное значение внутренней энергии, а изменение внутренней анергии (DU), вызванное изменением состояния вещества, в частности химическим изменением состояния вещества, происходящим при химических процессах. Таким образом, величина (DU) есть результат протекания в системе любого процесса. Изменение внутренней энергии веществ, участвующих в химической реакции, при постоянном объеме принято кратко называть внутренней энергией реакции. Поскольку все химические реакции сопровождаются перераспределением внутренней энергии, сумма внутренней энергии продуктов отличается от суммы внутренней энергии реагентов на значение внутренней энергии реакции:

DU=SU_прод – SU_исх

Единицей внутренней энергии, как и энергии вообще, в СИ является джоуль (обозначение Дж). В химической практике, где расчеты ведут на молярные количества реагентов и продуктов, более удобна кратная единица — килоджоуль (кДж). Ранее использовалась и до сих пор еще встречается внесистемная единица энергии — термохимическая калория, эта единица применяется в основном для выражения. количества теплоты. Соотношение между этими единицами таково: 1 кал = 4,1840 Дж; 1 Дж= 0,239 кал.

Изменение (DU) в каком-либо процессе представляет собой разность количества теплоты (Q), которым химическая реакция обменивается с окружающей средой при теплопередаче, и совершенной работы (A):

Уравнение DU= Q - А выражает первый закон термодинамики, т. е. закон сохранения энергии как меры движения материи в применении к процессам, в которых происходит теплопередача. Согласно этому закону внутренняя энергия является однозначной функцией состояния вещества и зависит только от параметров состояния, тогда как по отдельности каждая из величин, определяющих внутреннюю энергию (теплота Q, работа А) зависит от пути процесса, переводящего реагенты в продукты.

Теплота Q, выделившаяся или поглощенная в химической реакции, называется тепловым аффектом реакции. Его можно измерить в специальных приборах — калориметрах.

Если тепловой эффект реакции определен при постоянном объеме (Q_v), а единственным видом работы является работа расширения: А = pDV, которая при V =const равна нулю, то фактически будет определено в значение DU, т. е. Q = DU. При проведении реальных химических реакций поддерживать объем постоянным затруднительно, особенно в реакциях с участием газообразных веществ, количества и объем которых меняются при переходе от реагентов к продуктам. Чаще химические реакции протекают так, что изменение объема приспосабливается к постоянному давлению (например, атмосферному).

Если тепловой эффект химической реакции определен при постоянном давлении (обозначение (Q_Р), то он равен: Q = DU + А = DU + pDV

где А = pDV — работа, произведенная в результате реакции по изменению объема против внешнего давления (р = const). В этих условиях значение Q_Р характеризует конкретную химическую реакцию, протекающую без изменения давления.

Дата добавления: 2014-12-17