Реферат : Энергетика химических процессов

Любой химический процесс сопровождается тем или иным энергетическим эффектом: выделение или поглощение теплоты, света, выполнением электрической или механической работы.

Знание энергетических эффектов химических реакций необходимы не только химикам.

Раздел химии, в котором изучаются энергетические эффекты химических реакций, их зависимость от химического состава, строения и состояния веществ от условий проведения процессов, называется термохимией. Термохимия является составной частью химической термодинамики – области физической химии, в которой на основе законов общей термодинамики изучаются тепловые балансы химических реакций в различных условиях, устанавливается возможность и направление химических процессов. С помощью химической термодинамики выводятся законы химического и фазового равновесия и смещение этих равновесий в зависимости от изменения параметров состояния: температуры, давления, концентрации и др.

[sms]

Для более глубокого понимания химической термодинамики необходимы рассмотреть ряд основных понятий этой науки.

1. Основные понятия и определения.

Термодинамическая система. Объект исследования в термодинамике называется системой. Термодинамической системой может быть любой макроскопический объект (тело или группа тел, находящихся во взаимодействии, колба с раствором вещества, штатив с набором химических реактивов и т.п.), выделенный из окружающей среды с помощью реально существующей или воображаемой поверхности раздела.
Термодинамическая система – комплекс взаимодействующих между собой физических тел реально или мысленно обособленный от окружающей среды

Для системы физическая граница не обязательна. Систему можно мысленно обособлять от окружающей среды. Система может состоять из однородных частей, одинаковым по физическим и химическим свойствам и не однородных.

Фаза.
Совокупность всех однородных частей системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам и ограниченных от других частей системы поверхностью раздела называют фазой

Различают системы однофазные (гомогенные) и многофазные (гетерогенные).

Гомогенная система – система состоящая из одной фазы. Это однородная система. Интенсивные свойства такой системы одинаковы во всех ее частях.
Гомогенной может быть система, состоящая из газообразных веществ. Жидкофазная система тоже может быть гомогенной.

Гетерогенная система – система состоящая из двух или более фаз. Между фазами имеется поверхность (граница) раздела. Это не однородная система. Хотя бы одно интенсивное свойство (например вязкость) изменяется скачком.
Примерами гетерогенной системы могут быть две несмешиваемые жидкости, находящиеся в колбе или кусочек металла, опущенный в раствор соляной кислоты.

Термодинамическая система, соприкасаясь с окружающей средой, может через поверхность раздела обмениваться с ней энергией и веществом или не обмениваться. В этом отношении различают изолированные системы и неизолированные.

Изолированные системы – это системы, у которых через поверхность раздела не может происходить обмен с внешней средой ни энергией, ни веществом.
Т.е. изолированной называют систему, имеющую, в частности, постоянный объем и лишенную возможности обмениваться с окружающей средой как веществом, так и энергией. Например: колба с водой, закрытая пробкой и температура воды такая, как окружающей среды. (Система будет изолированной).

Неизолированные системы могут быть закрытыми и открытыми.
закрытые неизолированные – такие системы, в которых через поверхность раздела может проходить обмен с внешней средой только энергией. Веществом система не обменивается.
открытые неизолированные – такие системы, в которых через поверхность раздела происходит обмен с внешней средой и веществом и энергией.
Состояние системы определяет совокупность ее химических и физических свойств и описывается с помощью ряда переменных величин – параметров состояния (Р – давление, m – масса, Т – температура, С – концентрация, Е – энергия и т.д.). С помощью параметров состояния можно вывести другие переменные величины, которые называют термодинамическими функциями. (U – внутренняя энергия, Н – энтальпия, S – энтропия, G – энергия Гиббса, F – энергия Гельмгольца).

Это значит, что любая термодинамическая система, характеризуется с одной стороны параметрами состояния, а с другой – термодинамическими функциями.

Параметры состояния – термодинамические параметры – независимые термодинамические переменные: P, T, V и т.д.
Термодинамические функции – функции состояния – величины, зависящие от термодинамических параметров состояния и не зависящие от пути перехода системы из одного состояния в другое (U, H, S, G, F).
Если система находится при Т–const, то она является изотермической, при Р–const – система изобарная, при V–const – система изохорная. Если две величины постоянные (Т–const и Р–const) – система является изобарно-изотермической.

Соответственно и процессы:

Изотермические – процессы, протекающие при постоянной температуре.
Изобарные – процессы, происходящие при постоянном давлении.
Изохорные – при постоянном объеме.
2. Энергетические эффекты химических процессов.

В химических процессах чаще всего происходит выделение или поглощение теплоты.

Количество теплоты, выделенной или поглощенной системой в результате химического превращения, называют тепловым эффектом реакции.
Химические уравнения, в которых указано количество выделенной или поглощенной теплоты, называют термохимическими уравнениями.

В термохимических уравнениях указываются фазовые (агрегатные) состояния как исходных, так и продуктов реакции: г – газообразное, т – твердое, к – кристаллическое состояние.

J2(к)+H2S(г)=2HJ(г)+S(к).

В таких уравнениях допускаются так же дробные коэффициенты.

ЅN2(г) + ЅO2(г)=NO(г).

SO2(г) + ЅO2(г)= SO3(г).

Если реакция протекает с выделением теплоты, то такую реакцию называют экзотермической, а с поглощением теплоты эндотермической.
Полная энергия системы состоит из трех видов энергии: кинетической энергии движения системы как целого объекта, потенциальной энергии обусловленной поглощением системы в каком-либо поле (гравитационном, магнитном, электрическом) и внутренней энергии системы.

Химические процессы, как правило, протекают в относительно стандартных условиях, т.е. при отсутствии электрических, магнитных и гравитационных воздействий. В этом случае изменение кинетической и потенциальной энергии системы практически не происходит. Все энергетические эффекты обусловлены только изменением внутренней энергии системы.

Внутренняя энергия системы (U) включает в себя кинетическую и потенциальную энергию составляющих систему частиц. Это энергия взаимного расположения и движения молекул вещества, атомов входящих в состав молекулы, электронов, ядер и других частиц.

Измерить абсолютное значение внутренней энергии системы невозможно, но можно измерять изменение внутренней энергии ΔU в конкретном процессе, в частности в ходе химической реакции.

При переходе системы из начального состояния (1), от исходных веществ, в конечное состояние (2), к продуктам реакции, изменение внутренней энергии будет равно: ΔU =U2–U1

[/sms]