Энергетика химических превращений

Лекция 9

Химическая реакция заключается в разрыве одних и образовании других связей, поэтому она сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты, света, работы расширения выделяющихся газов и т.д.

Обмен энергией между изучаемой системой и внешней средой описывают законы, которые изучает термодинамика. Применение законов термодинамики к химическим процессам позволяет решить вопрос о принципиальной возможности различных процессов, границы самопроизвольного протекания процесса в заданном направлении, определить степень превращения реагирующих веществ в реакциях и оценить энергетические эффекты реакций.

Основные понятия химической термодинамики.

В химии системой называют вещество или совокупность изучаемых в-в; внешняя среда – вещества, окружающие систему.

Система открытая: с внешней средой возможен обмен веществом и энергией (в вид е теплоты и работы) Например, жидкость и её пар. Система закрытая: обмен только энергией (вещества в изолированной посуде, например, газ в баллоне). Изолированная система – невозможен обмен ни веществом, ни энергией. Будем рассматривать только закрытые системы

Переход системы из одного состояния в другое называется процессом (в химии – химическим процессом, или реакцией), например:

aA + bB → cC +dD

(состояние 1) (состояние 2)

Переменные величины, определяющие состояние системы, называются параметрами состояния. Это температура, объём, давление, состав системы.

Состояние системы и происходящие в ней изменения характеризуются так же функциями состоянии, или характеристическими функциями. Они зависят от параметров, но не зависят от пути перехода системы из одного состояния в другое. К ним относятся U, энтальпия Н, энтропия S, изобарно-изотермический потенциал G и др

Внутренняя энергия системы U - это общий запас энергии системы, складывающийся из кинетической энергии составляющих ее частиц (молекул, атомов, ионов ядер, электронов) и потенциальной энергии их взаимодействия.

Абсолютное значение внутренней энергии U определить нельзя, но можно с достаточной точностью измерить ее изменение в ходе процесса DU = U₁- U₂, (где U₁ и U₂ – внутренняя энергия системы в состояниях 1 и 2 соответственно) с помощью теплоты и работы.

*** Теплота Q - количественная мера хаотического движения частиц системы. энергия в виде теплоты передаётся от более нагретого тела к менее… без обмена веществом с внешней средой. Работа А – количественная мера направленного движения частиц, т.е. энергии перемещения частиц от одной системы к другой.’””

Система при переходе из состояния 1 в 2 обменивается с внешней средой энергией в виде теплоты и работы.

Согласно I началу термодинамики, являющимся следствием закона сохранения энергии количество энергии DU, выделяющейся или поглощаемой системой в форме теплоты Q и работы А (т.е. в сумме Q + А) равно DU.

Тепловым эффектом, или теплотой Q для реакции:

aA + bB → cC +dD

при температуре Т называется тепловая энергия (выделяющаяся или поглощаемая) в ходе данного процесса:

Q = DU + А

А – работа системы (главным образом – это работа против сил внешнего давления). Знаки Q и А в термодинамике рассматриваются по отношении к системе: энергия получаемая системой знак «+», отданная системой – «-».

Различают процессы: изотермические (при Т=const); изобарные (при Р=const); изохорные ( при V=const). Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении (например, в открытой колбе) или при постоянном давлении (в автоклаве - герметично закрытой емкости), т.е. при Р=const) или при V=const.

Экзотермический процесс. Идет с выделением тепла в окружающую среду: Q<0,DТ >0, и DU <0.

Эндотермический процесс - Q >0, DТ<0, DU >0.

А = PDV>0, если это - работа по расширению системы (против внешних сил); и наоборот, если это - сжатие (например, количество газообразных продуктов уменьшается), то А = PDV<0.

Чаще всего химические процессы ведут в изобарно-изотермическом (Т=const, P=const) или изохорно-изотермическом режиме (Т=const, V=const).

В ходе процесса легче всего измерить Q по изменению T_{окр.среды}.

Q =D U - PDV, где DV= V₂ – V₁

При изохорно-изотермическом процессе DV=0, поэтому Q_v = DU, т.е. все переданное системе тепло (или затраченное ею) идет на изменение ее внутренней энергии.

Для изобарно-изотермического процесса (Т=const, P=const):

Q_P,T =DU - PDV = (U_кон.- U_нач.) + (РV_кон.- PV_нач.) =

Дата добавления: 2014-01-05