- •Внутренняя энергия, энтальпия и тепловой эффект реакции
- •7.2. Стандартные условия и стандартное состояние. Стандартная энтальпия образования
- •7.3. Термохимические уравнения. Закон Гесса. Энергия связи.
- •7.4. Энтропия
- •7.5. Изобарно-изотермический потенциал и направление химических реакций
- •Влияние концентраций реагирующих веществ на скорость реакции
- •Влияние температуры и природы реагирующих веществ на скорость химической реакции
- •Катализ
Энергетика химических реакций
Обмен энергией между изучаемой системой и внешней средой описывают законы, которые изучает термодинамика. Применение законов термодинамики в химии позволяет решить вопрос о принципиальной возможности различных процессов, условиях их осуществления, определить степень превращения реагирующих веществ в химических реакциях и оценить их энергетику.
Системой называют вещество или совокупность веществ, которые подвергаются теоретическому или экспериментальному изучению.
Внешняя среда- вещества, окружающие систему.
Система называется открытой, если через границу (реальную или условную), разделяющую систему и внешнюю среду, может происходить обмен веществом и энергией, например жидкость и ее пар.
Система называется закрытой, если она может обмениваться с внешней средой энергией и не может обмениваться веществом, например газ в баллоне, твердые или жидкие вещества в изолированном сосуде.
Изолированная система не в состоянии обмениваться с внешней средой ни веществом, ни энергией, например запаянная ампула полностью изолированная от внешней среды.
В данной главе рассматриваются только закрытые системы.
Обмен энергией между системой и внешней средой может осуществляться в различных формах: тепловая, механическая, электрическая энергия, энергия излучения могут превращаться друг в друга.
В превращениях, происходящих в ходе химических реакций, участвуют, как правило, тепловая энергия Q и механическая ( или работа А). Единица измерения энергии- джоуль ( Дж ).
Тепловая и механическая энергия – алгебраические величины. Знаки величин Q и А в термодинамике рассматриваются по отношению к системе. Энергия, получаемая системой, обозначается знаком «+», отданная системой – знаком «-».
Переменные величины, определяющие состояние системы, называются, параметрами состояния. Среди них в химии наиболее часто используются давление, температура, объем, состав системы. Состояние системы и происходящие в ней изменения характеризуются также с помощью функций состояния, зависящих от параметров состояния и не зависящих от пути перехода системы из одного состояния в другое. К ним относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарно-изотермический потенциал и др.
Процессы, протекающие при постоянном давлении,-изобарные, при постоянном объеме – изохорные, при постоянной температуре – изотермические. Большинство химических реакций протекают в открытых сосудах, т. е. при постоянном давлении, равном атмосферному.
Внутренняя энергия, энтальпия и тепловой эффект реакции
Внутренняя энергия системы U – это ее полная энергия, состоящая из кинетической энергии (энергия поступательного, колебательного и вращательного движения) и потенциальной энергии (энергия притяжения и отталкивания) всех частиц системы, исключая потенциальную и кинетическую энергию системы как целого.
Определить можно лишь изменение внутренней энергии ∆U=U2-U1, где U2 U1 – внутренняя энергия системы в состоянии 2 и 1 соответственно.
Если система обменивается с внешней средой тепловой энергией Q и механической энергией ( или работой) А и при этом переходит из состояния 1 в состояние 2, то согласно первому началу термодинамики, являющемуся следствием закона сохранения энергии, количество энергии, которое выделяется или поглощается системой в форме теплоты Q и работы А, т. е. Q+A, равно изменению полной энергии системы, т. е. ∆U, при переходе системы из одного состояния в другое:
∆U=Q+A.
Иными словами, изменение внутренней энергии ∆U системы, переходящей из состояния 1 в состояние 2, есть алгебраическая сумма всех энергий, обменивающихся с внешней средой.
Для химической реакции в общем виде aA+bB→cC+dD тепловым эффектом ( теплотой) Q при температуре T называется тепловая энергия, которая выделяется или поглощается при взаимодействии реагентов А и продуктов С и D; реагенты и продукты реакции находятся при одной и той же температуре T.
Тепловой эффект реакции при постоянном объеме и температуре Т равен Qv, при постоянном давлении и температуре T-Qp.
В ходе химических реакций совершается в основном работа против сил внешнего давления, которая зависит от изменения объема системы.
Для изохорного процесса, поскольку объем системы не изменяется ( V=const ), A=0. Следовательно,
∆U=Qv. (7.1)
Тепловой эффект реакции при постоянном объеме и температуре Т соответствует изменению внутренней энергии системы в ходе реакции.
Qv, как и U,- функция состояния системы.
Примеры реакций, протекающих при постоянном объеме,- реакции в закрытом сосуде (автоклаве), между твердыми и жидкими веществами без выделения газов, между газами, если их количество не меняется.
Для изобарных процессов A*= -p∆V= -p(V2-V1), следовательно,
∆U=Qp - p∆V. (7.2)
_________________
* С учетом принятых в термодинамике условий знаков, работа положительна, если система ее получает(∆V<0), и отрицательна, если система совершает работу против сил внешней среды (∆V>0).
Или U2-U1 = Qp – p(V2-V1), откуда получаем Qp=(U2+pV2) – (U1+pV1).
Функция U+ pV, обозначенная через H, называется энтальпией. Энтальпия есть функция состояния, имеет размерность энергии. Введя обозначение U+ pV= H, получаем
Qp=H2-H1=∆H. (7.3)