Энтропия. Энергия Гиббса. Направление протекания реакции
Лекция 5.
Химическая термодинамика
Химическая термодинамика – раздел химии, изучающий взаимопревращения различных видов энергии при протекании химических процессов. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного течения различных процессов в данных условиях.
При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, разрушаются связи в исходных веществах и образуются новые в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота.
Раздел термодинамики, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, называется термохимией.
Если при образовании какого-либо соединения выделяется (или поглощается) некоторое количество теплоты, то при разложении этого соединения в тех же условиях такое же количество теплоты поглощается (или выделяется). Это положение вытекает из закона сохранения энергии: чем больше теплоты выделяется при образовании того или иного соединения, тем больше энергии надо затратит на его разложение. Поэтому вещества, при образовании которых выделяется большое количество теплоты, весьма прочны и трудно разлагаются.
Выделение теплоты при взаимодействии различных веществ означает, что эти вещества еще до реакции в скрытой форме обладали определенной энергией. Такая форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических, а также при некоторых физических процессах (например, при конденсации пара в жидкость или при кристаллизации жидкости), называется внутренней энергией.
|
|
|
При химических реакциях происходит взаимное превращение внутренней энергии веществ, с одной стороны, и тепловой, лучистой, электрической или механической энергии, с другой.
Теплота Q, поглощенная системой, идет на изменение ее внутренней энергии ΔU и на совершение работы А
Q = ΔU + А (1)
Это выражение является первым законом термодинамики.
Внутренняя энергия вещества U (или системы) – это полная энергия частиц, составляющих данное вещество. Она слагается из поступательного и вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергии движения электронов, внутриядерной энергии и т.д. Внутренняя энергия – полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве, и без кинетической энергии системы как единого целого. Абсолютное значение внутренней энергии веществ неизвестно, т.к. нельзя привести систему в состояние, лишенное энергии. Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, является функцией состояния, т.е. ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути, по которому протекает процесс
|
|
|
ΔU = U2 – U1, (2)
где: ΔU – изменение внутренней энергии системы при переходе от начального состояния U1 в конечное U2.
Теплота и работа функциями состояния не являются, т.к. они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. В ходе химических реакций А – это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении
А = рΔV, (3)
где: ΔV – изменение объема системы (V2 – V1).
Так как большинство химических реакций проходит при постоянном давлении, то для изобарно-изотермического процесса (р = const, T = const) теплота равна
| Qp = ΔU + рΔV Qp = (U2 – U1) + p(V2 – V1) Qp = (U2 + pV2) – (U1 + pV1) | (4) |
Сумму U + рV обозначаем через Н, тогда
Qp = Н2 – Н1 = ΔН (5)
Энтальпия. Тепловой эффект химической реакции
Протекание химических реакций сопровождается выделением или поглощением энергии в виде тепла. Энергия системы, которая может быть превращена в тепло при постоянном давлении, называется энтальпией и обозначается «Н». Абсолютное значение энтальпии измерить невозможно, но можно измерить ее изменение (ΔН).
|
|
|
Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при протекании химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении и температуре, равен изменению энтальпии системы (ΔНх.р., кДж/моль).
Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими. В этих реакциях запас энергии уменьшается, поэтому Нх.р. < 0.
Реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. В этих реакциях запас энергии системы увеличивается, поэтому Нх.р. > 0.
Для наблюдения закона сохранения и превращения энергии, количество теплоты, сопровождающее химическую реакцию, должно быть включено в ее уравнение. Уравнения химических реакций, в которых приводятся значения тепловых эффектов, называют термохимическими.
CН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + 891 кДж/моль
C + 2S = CS2 – 88,7 кДж/моль
Знак «+» означает, что теплота выделяется, знак «-» – поглощается.
Чтобы иметь возможность сравнивать различные химические реакции и производить термохимические расчеты, необходимо относить значения тепловых эффектов к одному и тому же состоянию исходных продуктов.
|
|
|
Стандартными условиями считаются температура 25 °С (298 К) и давление 1 атм.
Тепловой эффект реакции, протекающей при стандартных условиях, обозначается ΔH0х.р.
Основные законы термохимии
Первый закон термохимии формулируют следующим образом: тепловой эффект прямой реакции равен по абсолютному значению и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции.
Осуществив в системе какой-либо химический процесс, а затем ему противоположный, мы возвращаем систему в первоначальное состояние с тем же значением внутренней энергии.
Энтальпией образования вещества называется тепловой эффект реакции образования одного моля этого вещества при стандартных условиях из простых веществ, взятых в устойчивом состоянии.
Стандартные энтальпии образования многих сложных веществ приведены в справочниках. Энтальпии образования простых веществ в устойчивом состоянии принимаются равными нулю. Энтальпию образования вещества иногда называют теплотой образования.
В основе термохимических расчетов лежит второй закон термохимии или закон Гесса: тепловой эффект химической реакции зависит только от природы и состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути перехода системы из начального в конечное состояние.
Часто в термохимических расчетах используют следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом энтальпий образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.
Нх.р. = ∑ΔНпрод. – ∑ΔНисх. (6)
Энтропия. Энергия Гиббса. Направление протекания реакции
Любые процессы самопроизвольно могут протекать только в направлении уменьшения запаса энергии в системе. Однако при этом следует принимать во внимание не только тепловую энергию (энтальпию), но и вероятностный фактор. Этот фактор характеризуется термодинамической величиной, которая называется энтропия (S, Дж/мольК).
Энтропия системы отражает хаотичность движения и взаимного расположения частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Частицы вещества (ионы, атомы, молекулы) непрерывно совершают разные виды движения (поступательное, вращательное, колебательное), переходя из одного микросостояния в другое. Чем больше число возможных микросостояний, тем больше неупорядоченность системы, тем больше энтропия.
Термодинамические системы, которые не обмениваются с внешней средой ни веществом, ни тепловой энергией, называются изолированными. Запас тепловой энергии в такой системе не изменяется, то есть ΔН = 0. Поэтому направление протекания процесса определяется только вероятностным фактором.
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 153; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!