ТЕМА 4. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

 

Химические свойства вещества определяют возможности практического использования его в различных отраслях общественного производства и потребления. Основой практического использования веществ является знание процессов их взаимодействия, при которых из определенных исходных веществ можно получить вещества – продукты реакции с заданными свойствами. Многочисленность и многообразие химических веществ делает невозможным экспериментальное изучение всех возможных химических реакций между ними. Одна из основных задач химии, решаемая на протяжении ее многовекового развития – на основании теоретических законов найти критерии, позволяющие предсказать возможность протекания определенных химических реакций. Один из таких подходов основан на фундаментальном законе природы - законе сохранения и превращения энергии.

Термохимия. Экзотермические и эндотермические химические реакции. При химических реакциях происходит разрушение химических связей в исходных веществах за счет поглощаемой энергии извне и образование химических связей в веществах – продуктах реакции с выделением энергии. Суммарным результатом процесса является либо выделение теплоты ( в экзотермических рекциях), либо поглощение теплоты ( в эндотермических реакциях). Термохимия – раздел химии, занимающийся изучением тепловых эффектов химических и физико-химических процессов. Основные понятия, используемые в термохимии:

• тепловой эффект химической реакции, , ; самопроизвольно протекают большинство экзотермических химических реакций,
• термохимическое уравнение – уравнение химической реакции, в котором записана величина теплового эффекта , например или ;
• величины тепловых эффектов химических реакций могут быть экспериментально определены на основании измерения изменения температуры в ходе процесса и знания теплоемкостей всех его участников:

 

; , (4.1)

где с- удельная теплоемкость.

 

Термодинамические критерии возможности протекания химических процессов. Течениехимических процессов в общем случае сопровождается:

· разрывом и образованием химических связей, количественным выражением чего является величина теплового эффекта , изменение внутренней энергии (ΔU) иэнтальпии () системы в ходе процесса,

· механическим перемещением структурных единиц в пространстве, выражением чего является величина совершаемой работы ,

· изменением упорядоченности системы, выражением чего является изменение энтропии .

Первый закон термодинамики является выражением закона сохранения и превращения энергии при механических и тепловых процессах, позволяет проводить вычисления тепловых эффектов химических процессов при постоянных давлении или объеме на основании следствия, известного как закон Гесса.

Формулировка первого закона термодинамики: теплота (, ) которая подводится к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии (, ΔU) и совершение работы против внешних сил (, ). Математическое выражение первого закона термодинамики (при условии, что совершается только работа расширения) имеет вид:

 

(4.2)

Внутренняя энергия системы представляет собой сумму всех видов энергии движения и взаимодействия частиц системы. Внутренняя энергия системы возрастает, если к системе подвести некоторое количество теплоты Q (нагреть). Внутренняя энергия системы уменьшается, если система совершает работу W против внешних сил. Изменение внутренней энергии системы не зависит от условий проведения процесса, определяется только ее начальным и конечным состояниями, т.е. . Тепловой эффект реакции, совершаемая работа зависят от условий проведения процесса и только в случае постоянства давления или объема в реакционной системе определяются природой и состоянием исходных веществ и продуктов реакции:

 

при ,

при = = = , где (4.3)

 

- тепловой эффект химической реакции при постоянном объеме,

- тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении,

- изменение энтальпии при химической реакции, не зависящее от пути процесса, как и .

Формулировка закона Гесса: тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном объеме или постоянном давлении, не зависит от пути ее протекания, а определяется только состоянием исходных веществ и продуктов реакции. Математическим выражением закона Гесса являются уравнения (3.3). Практические расчеты изменений энтальпии в ходе химических реакций проводят, используя три следствия закона Гесса:

Следствие 1. Изменение энтальпии (тепловой эффект) химической реакции равно сумме стандартных энтальпий образования [ ] продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Следствие 2. Изменение энтальпии (тепловой эффект) химической реакции равно сумме стандартных энтальпий сгорания [ Δ_flHº_Т ] исходных веществ за вычетом суммы стандартных энтальпий сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов.

Следствие 3. С термохимическими уравнениями можно проводить такие же действия, как с алгебраическими уравнениями (складывать, вычитать, умножать и делить на постоянное число).

Второе начало термодинамики определяет наличие у систем функции состояния - энтропии, изменение которой определяет возможность самопроизвольного протекания процессов в изолированных системах: все процессы в изолированных системах протекают самопроизвольно таким образом, что энтропия системы не убывает = . Изменение энтропии при химической реакции равно разности стандартных значений абсолютных энтропий продуктов за вычетом стандартных значений абсолютных энтропий исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Изменение энергии Гиббса химической реакции учитывает изменение энтропии и изменение энтальпии:

= - T или = - Т (4.4)

Величина изменения энергии Гиббса является функцией состояния системы, химической реакции равно сумме энергий Гиббса образования продуктов за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Самопроизвольно протекают химические реакции, для которых ˂ 0.

 

Таблица 4.1