Химическая термодинамика

Химическая термодинамика

Химическая термодинамика

Вопросылекции:

1.Энергетические эффекты химических реакций. Внутренняяэнергия и энтальпия.

2.Основные понятия химической термодинамики. Первыйзакон термодинамики;

3.Термохимия. Тепловые эффекты и термохимическиеуравнения. Закон Гесса и следствие из него.

4.Стандартное состояние. Энтропия и ее изменение вхимических реакциях.

5.Энергия Гиббса и Гельмгольца. Выявление возможностейнаправления и предела самопроизвольного протеканий химических реакций расчетомизменений ее термодинамических параметров.

Вопрос 1. Мы с вами знакомы с основными типами химическихреакций и правилами составления химических уравнений.

Составивуравнение химической реакции, можно рассчитать количество продуктов этойреакции, которые образуются при условии полного превращенияисходных веществ.

!!!Однако многие реакции протекают не до конца, а некоторые вообще невозможны приданных условиях. – Проблема?

Какизвестно, в соответствии с законом сохранения энергии возможен рядпреобразований энергии: химической энергии топлива в теплоту, теплоты вмеханическую энергию, механической – в электрическую, электрической вновь вмеханическую, и, наконец, механической – в теплоту.

Но не все перечисленныепреобразования равноценны друг другу: химическая, механическая, электрическаяэнергии могут целиком переходить в другие виды энергии (в том числе и втеплоту); теплота не в состоянии перейти полностью в другие видыэнергии.

— Почему?

Все виды энергии, кроме теплоты, являются энергиями упорядоченногодвижения микрочастиц, составляющих тело, или упорядоченного движениясамих тел.

(Электрическая энергия – это упорядоченное движениеэлектрических зарядов под действием электрического напряжения; механическаяэнергия – энергия простейшего движения, представляющего собой изменение стечением времени пространственного расположения тел).

Теплота представляет собой энергию беспорядочного движения микрочастиц(молекул, атомов, электронов и т.д.) при переходе от одного тела к другому.Невозможность полного перехода теплоты в другие виды энергии объясняетсяневозможностью полной перестройки хаотического движения в упорядоченное.

Разделхимии, занимающийся изучением тепловых эффектов химических реакций, называется химическойтермодинамикой.

Слово термодинамика происходит отгреческих слов «термос» (теплота) и «динамос» (сила, движение). Дословно, наукао движении.

Химическая термодинамика – наука о взаимопревращенияхтеплоты и энергии в химических реакциях.

Химическая термодинамика изучает: 1) энергетические эффекты,сопровождающие химические реакции;

2)направление и пределы их самопроизвольного протекания.

Знание закономерностей химической термодинамики позволяет:

-предсказать, возможно, ли в принципе химическое взаимодействие между даннымивеществами при определенных условиях;

-предсказать, до какой степени может протекать реакция прежде, чем установитсяхимическое равновесие при данных условиях;

-выбрать оптимальные условия проведения процесса, обеспечивающие получениемаксимального выхода нужного продукта;

-рассчитать количество энергии, которое выделится при проведении реакции илинеобходимо затратить для ее осуществления.

Итак,знание законов химической термодинамики позволяет решать, не прибегая кэксперименту, многие задачи производственной и научно-исследовательской работы.

Химическаятермодинамика основана на трех законах (трех началах), особенностькоторых состоит в том, что они не могут быть выведены, а являются результатомобобщения многовекового человеческого опыта. Правильность этих законовподтверждается тем, что не существует фактов, которые бы противоречили этимзаконам.

Насегодняшней лекции мы будем говорить опервом законе термодинамики. Но прежде, чем приступить к его рассмотрению выдолжны овладеть основными понятиями химической термодинамики.

ВОПРОС 2. Основные понятия химической термодинамики. Первыйзакон термодинамики.

Основные понятия химической термодинамики мы введем,обратившись к конкретному примеру. Представим себе, что в эластичном игерметичном резиновом баллончике находится насыщенный раствор соли,нерастворенная соль в форме кристаллов и пар над раствором (рис.1,а).

Содержимое баллончика является объектомисследования, обычно называемым термодинамической системой. Тогда все, чтонаходится вне системы, составляет окружающую среду.

Системаэто совокупность материальныхобъектов, отделенных каким-либо образом от окружающей среды.

Окружающая средаэто остальная частьпространства со всем, что в ней находится.

Термодинамическая системаэтосовокупность тел, способных обмениваться друг с другом энергией и веществом ипо-разному взаимодействующих с окружающей средой.

В рассматриваемом примере система может обмениватьсяс внешней средой только энергией, но не веществом. Такие системы принятоназывать замкнутыми, или закрытыми. Например, запаянная трубка,попеременно помещаемая в горячую и холодную среды, будет получать и отдаватьэнергию, но масса содержимого трубки будет оставаться постоянной.

Открытая система может обмениваться с другимисистемами как веществом, так и энергией. Например, кипящая вода в чайникеполучает энергию от пламени, а при испарении теряет часть своей энергии имассы.

Изолированная система не обменивается сокружающей средой ни веществом, ни энергией и находится при постоянном объеме(изменение объема всегда связано с выполнением работы, а значит, с обменомэнергией).

Например, термос.

Химические вещества,входящие в состав системы, называют компонентами.

Система называется гомогенной,если она одинакова по составу, структуре и свойствам во всех своихмикроучастках (смесь газов, истинный раствор). Можно сказать, что состоит изодной фазы.

Фаза – этосовокупность всех одинаковых по составуи однородных по структуре участков системы.

Система называется гетерогенной,если она состоит из нескольких фаз, разграниченных поверхностями раздела.

Все кристаллы льда взамерзающей воде образуют одну фазу, жидкая вода – другую, а пар – третью. Этооднокомпонентная (Н2О) трехфазная (т.е. гетерогенная) система.

Состояние системы– это совокупность свойств (или параметров) системы, которые она имеет вданный момент. Изменение какого-либо параметра означает изменение состояниясистемы.

Основными параметрамисостояния принято считать параметры, поддающиеся непосредственному измерению. Кним относятся температура,давление, плотность, мольный объем, концентрация(подписать внизу рисункапараметры состояния Р1, Т1, V1).

— Что произойдет, еслибаллончик нагреть, т.е. подвести энергию в виде теплоты?

Во-первых, температураповысится от Т1 до Т2.

Любое изменение одного или несколькихпараметров системы называют термодинамическим процессом.

Повышение температуры, всвою очередь, вызовет изменение внутренней энергии системы (U), которая состоит изкинетической и потенциальной энергий составляющих ее частиц (молекул,электронов, нуклонов).

Внутренняя кинетическаяэнергия обусловлена тепловым хаотическим движением молекул, что непосредственносвязано с температурой – с увеличением температуры тела интенсивность этогодвижения возрастает.

Внутренняя потенциальнаяэнергия обусловлена взаимодействием частиц друг с другом (взаимное отталкиваниеили притяжение).

Абсолютное значениевнутренней энергии ни измерить, ни рассчитать нельзя, можно определитьтолько ее изменение в результате какого- либо процесса. Необходимо иметь ввиду, что изменение внутренней энергии любой системы при переходе из одногосостояния в другое не зависит от пути перехода, а определяется только начальными конечным состоянием.

В нашем примере этозначит, что можно сначала нагреть содержимое баллончика до температуры Т3>Т2.а потом снова охладить баллончик до температуры Т2. Это означает,что внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. не зависит отпути процесса, а зависит от параметров системы.

Итак, повышениетемпературы, в свою очередь, вызовет изменение внутренней энергии системы:

Заметим, что принагревании баллончика изменяется не только температура, но и концентрацияраствора – часть соли дополнительно растворяется и увеличивается количествопара, т.е. происходит перераспределениемасс.

За счет увеличенияколичества пара система совершает работурасширения:

A=P V

Если внешнее давлениепостоянно, нагревание вызовет увеличение объема на величину V – баллончикраздуется подобно воздушномушару.

Таким образом, теплота(Q), сообщеннаясистемой извне, расходуется на увеличение внутренней энергии (U), совершение работы расширения (А),других видов работ (Х) (в нашем случае работы по перераспределению масс веществв системе):

Q= U + A + X

Полученное уравнение естьни что иное, как выражение первого начала термодинамики,являющегося частью всеобщего закона сохранения энергии.

Первоеначало термодинамики можно сформулировать следующим образом:

Теплота, сообщаемаясистеме извне, расходуется на увеличение внутренней энергии и на работурасширения.

Существуют и другиеформулировки первого начала термодинамики:

1. Разные формы ЭНЕРГИИпереходят друг в друга в строго эквивалентных, всегда одинаковых соотношениях.

2. В изолированнойсистеме общий запас ЭНЕРГИИ является величиной постоянной.

3. Невозможен такойпроцесс, в котором РАБОТА совершалась бы без затраты ЭНЕРГИИ (вечный двигательвнутреннего сгорания не возможен).

Важно отметить, что ниработа, ни теплота не являются функциями состояния, т.е. зависят от путипротекания процесса, подобно тому, как длина дороги от Москвы до Петрозаводсказависит от того, ехать ли через Петербург или через Вологду.

Помимо рассмотренных вышефункций в термодинамике вводят величины, которые тождественны сумме несколькихтермодинамических параметров. Такая замена во многом облегчает расчеты. Так,функцию состояния, равную U+PV, называют энтальпией (Н):

Н = U+ PV, H2 — H1= H

Рассмотрим два частныхслучая изменения состояния системы:

1. Изохорный процесс –процесс, происходящий при постоянном объеме. V=const,  V=0  A=0, математическое выражение первого законатермодинамики принимает вид:

Qv= U (1)

Т.о., вся теплотаизохорного процесса идет на приращение внутренней энергии системы.

2. Изобарный процесс– процесс, происходящий при постоянном давлении. Р =const, работа за счет изменения объемаравна А=Р(V2-V1)=P V.

Учитывая выражениепервого закона термодинамики, для изобарного процесса получим:

Qp= U+A=U2- U1+PV2-PV1

Qp=(U2+PV2)-(U1+ PV1)

Qp=H2-H1= H (2)

Т.о., теплота изобарногопроцесса расходуется на приращение энтальпии.

Соотношения (1) и (2)позволяют оценить такие основополагающие в термодинамике величины, какизменение внутренней энергии и энтальпии, исходя их экспериментальныхзначений тепловых эффектов реакций. Тепловые эффекты химических реакцийопределяют с помощью калориметра.

Химическая реакция происходит в сосуде Дьюара 1-стеклянный сосуд с посеребренными внутри двойными стенками, из пространствамежду которыми выкачан воздух, вследствие чего стенки сосуда почти не проводяттепло.

Для более равномерного теплообмена с окружающей средой сосуд помещают вбольшой термостат 2, наполненный водой (температура термостата во время опытаподдерживается постоянной).

Сосуд закрыт крышкой 3 с тремя отверстиями: длятермометра 4, мешалки 5, пробирки 6.

ВОПРОС 3. Тепловыеэффекты и термохимические уравнения. Закон Гесса.

Раздел химическойтермодинамики, в котором изучают тепловые эффекты химических реакций изависимость их от различных физико-химических параметров, носит название термохимии.

В термохимии пользуютсятермохимическими уравнениями реакций, в которых обязательно указываютагрегатное состояние вещества, а тепловой эффект реакции рассматривают как одиниз продуктов взаимодействия.

Например, реакцияобразования воды из простых веществ м.б. выражена термохимическим уравнением:

Н2(г) + 1/2О2(г)= Н2О(г) + 242 кДж

Это значит, что приобразовании 1 моль газообразной воды выделяется 242 кДж теплоты. При этомизменение энтальпии  Н=-242кДж.

Все энергетическиевеличины (тепловые эффекты, внутренняя энергия, энтальпия) обычно выражают вджоулях и относят к определенной порции вещества – молю (кДж/моль) или грамму(кДж/г).

Противоположные знакивеличин  Н и Q означают,что энтальпия характеризует тепловые изменения в системе, а теплота – вокружающей среде. (этосправедливо для случая, где отсутствуют другие виды работ, кроме работырасширения)

Процессы, идущие с выделением теплоты,называются экзотермическими. В них Q>0,  H

Источник: https://natalibrilenova.ru/blog/610-himicheskaya-termodinamika.html

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/6-48105.html

Химическая термодинамика и термохимия

Химическая термодинамика

1  Химическая термодинамика и термохимия

1.1  ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЗАКОН ГЕССА

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты, сопровождающие химические процессы, а также возможность и направление самопроизвольного протекания процессов.

Системой называется тело или группа тел, находящихся во взаимодействии с окружающей средой и мысленно обособляемых от нее.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии:

Это соотношение называется первым началом термодинамики и означает, что если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии ΔU и на совершение работы A.

Под внутренней энергией системы U подразумевается общий ее запас (энергия движения молекул, электронов, внутриядерная энергия и т.д.) кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом.

Работа обычно совершается при расширении системы против внешнего давления и при постоянном давлении равна  A=PΔV. Поэтому первое начало термодинамики можно записать в виде:

Величина H=U+PV называется энтальпией. Таким образом, тепловой эффект процесса при постоянном давлении равен изменению энтальпии ΔH. При постоянном объеме V1=V2, поэтому Qv=ΔUQv≠Qp, т.е. тепловой эффект процесса зависит от условий его протекания.

В лабораторных условиях реакции обычно проводятся при постоянном давлении (например, в колбе). Тепловые эффекты, измеренные при атмосферном давлении (101325 ПаПаскаль (Па) — единица давления в системе СИ.

Один паcкаль равен давлению, производимому силой в один ньютон на площадь в один квадратный метр.) называются стандартными и обозначаются ΔH°.

В обозначении может указываться абсолютная температура, при которой определен тепловой эффект, например  (при 1 атм и 25°С).

Реакции могут протекать с выделением тепла (экзотермические) и с его поглощением (эндотермические). Уравнения реакций, в которых указан тепловой эффект, называются термохимическими.

В них приводятся агрегатные состояния веществ (г – газ, ж – жидкость, т – твердое вещество, к – кристаллы), а коэффициенты имеют смысл молейМоль — единица количества вещества, включающая 6,02 .

 1023 (число Авогадро) молекул или других частиц вещества. . Например:

H2(г) + Cl2(г) → 2 HСl(г) + 184 кДж

Реакция экзотермическая, поэтому тепловой эффект указан со знаком “плюс”. Однако = –184 кДж, т.к. система теряет теплоту, отдавая ее в окружающую среду. То же уравнение можно записать по-другому:

1/2 H2(г) + 1/2 Cl2(г) → HСl(г) + 92 кДж;    = –92 кДж

Закон Гесса: Тепловой эффект процесса зависит только от состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от способа его проведения. Проиллюстрируем применение закона Гесса схемой образования углекислого газа при окислении графита:

Углекислый газ может быть получен в одну стадию; тепловой эффект этой стадии равен ΔH.

Двухстадийный путь состоит в окислении графита сначала до CO (тепловой эффект стадии равен ΔH1), а затем до CO2 (тепловой эффект ΔH2).

При обоих способах проведения процесса система переходит из одного и того же начального состояния (графит) в одно и то же конечное (углекислый газ), поэтому, согласно закону Гесса, ΔHH1+ΔH2.

В химических справочниках невозможно привести тепловые эффекты всех реакций. Но из закона Гесса можно получить важные следствия, позволяющие вычислить ΔH почти всех процессов. Для этого введем определения.

Теплотой образования вещества называется тепловой эффект реакции получения 1 моля этого вещества из простых веществПростые вещества — это вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида: O2 — кислород, Fe — железо, N2 — азот. Если вещество состоит из разных атомов, то оно называется сложным, например CO — оксид углерода (угарный газ). (обозначается , кДж/моль).

Теплотой сгорания вещества называется тепловой эффект сгорания 1 моля этого вещества ( , кДж/моль).

Для многих веществ  и   приведены в справочниках (см., например, подробный on-line справочник или краткую таблицу 1 приложения). Рассмотрим схему:

Исходные вещества и продукты некоторой реакции, имеющей искомый тепловой эффект ΔH, можно получить из одних и тех же простых веществ (тепловые эффекты ΔH1 и ΔH2 равны суммарным теплотам образования исходных веществ и продуктов соответственно). Поэтому, согласно закону Гесса:

Это равенство выражает первое следствие из закона Гесса. Например, для реакции

2 NO(г) + O2(г) → 2 NO2(г)

Для простых веществПростые вещества — это вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида: O2 — кислород, Fe — железо, N2 — азот. Если вещество состоит из разных атомов, то оно называется сложным, например CO — оксид углерода (угарный газ).  , поэтому 

Рассмотрим другую схему:

Очевидно, что исходные вещества и продукты некоторой реакции всегда дают одни и те же продукты сгорания. Поэтому, согласно закону Гесса:

Это равенство выражает второе следствие из закона Гесса.

К следующему разделу

К оглавлению

©  А.И. Хлебников, И.Н. Аржанова, О.А. Напилкова

Источник: https://www.chem-astu.ru/chair/study/genchem/r1_1.htm

Booksm
Добавить комментарий