Энергетические эффекты химических реакций

2. Энергетика химических процессов

2.1. Энергетические эффекты химических реакций

Общие понятия

Химическая термодинамика - наука, изучающая переходы энергии из одной формы в другую при химических реакциях и устанавливающая направление и пределы их самопроизвольного протекания при заданных условиях.

Объектом изучения в термодинамике является система. Системой называется совокупность находящихся во взаимодей­ствии веществ, обособленная от окружающей среды. Различают гомогенные и гетерогенные системы.

Систему называют термодинамической, если между телами, ее составляющими, может происходить обмен теплотой, вещест­вом и если система полностью описывается термодинамически­ми понятиями.

В зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые, закрытые и изолиро­ванные.

Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров (параметров состояния, функций состояния).

Рекомендуемые материалы

Основными параметрами состояния являются такие пара­метры, которые можно непосредственно измерить (температура, давление, плотность, масса и т. д.).

Параметры состояния, которые не поддаются непосредст­венному измерению и зависят от основных параметров, называ­ются функциями состояния (внутренняя энергия, энтропия, эн­тальпия, термодинамические потенциалы).

Изменение величины хотя бы только одного термодинами­ческого параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы называют равно­весным, если оно характеризуется постоянством термодинами­ческих параметров во всех точках системы и не изменяется са­мопроизвольно (без затраты работы).

В химической термодинамике свойства системы рассматри­ваются в ее равновесных состояниях.

Если процессы перехода системы происходят при постоян­стве каких-то параметров системы, то они называются:

1) изобарные (р = const);

2) изохорные (V= const);

3) изотермические (Т = const);

4) адиабатные (Q = 0);

5) изобарно-изотермические (р = const, Т=const);

6) изохорно-изотермические (V= const, T= const).

В ходе химической реакции (переходе системы из одного
состояния в другое) изменяется внутренняя энергия системы U:
DU = U₂-U₁,                                                                           (2.1)

где U₂ и U₁ - внутренняя энергия системы в конечном и на­чальном состояниях.

Значение DU положительно (DU> 0), если внутренняя энер­гия системы возрастает.

Изменение внутренней энергии можно измерить с помощью работы и теплоты, так как система может обмениваться с окру­жающей средой веществом или энергией в форме теплоты Q и работы А.

Количественное соотношение между изменением внутрен­ней энергии, теплотой и работой устанавливает первый закон термодинамики:

Q = DU + A.                                                       (2.2)

Выражение (2.2) означает, что теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на работу системы над окружающей средой.

Энтальпия системы и ее изменение.

Работу А можно разделить на работу расширения

A = p×DV (p = const)                                                             (2.3)

и другие виды работ А' (полезная работа), кроме работы расши­рения:

A = A' + p×DV,                                                   (2.4)

где р - внешнее давление;

DV- изменение объема (DV= V₂ - V);

V₂ - объем продуктов реакции;

V₁ - объем исходных веществ.

Соответственно уравнение (2.2) при постоянном давлении запишется в виде:

Q_p = DU + A' + p×DV.                                                              (2.5)

Если на систему не действуют никакие другие силы, кроме постоянного давления, т. е. при протекании химического про­цесса единственным видом работы является работа расширения, тоА' = 0.

В этом случае уравнение (2.2) запишется так:        

Q_p = DU + p×DV.                                                                       (2.6)

Подставив DU= U₂ – U₁, получим:

Q_P=U₂ -U₁₊ pV₂ + pV₁=(U₂ +pV₂)-(U₁ + pV₁).                                     (2.7)

Характеристическая функция

U + pV = H                                                                               (2.8)

называется энтальпией системы. Это одна из термодинамических функций, характеризующих систему, находящуюся при постоян­ном давлении. Подставив уравнение (2.8) в (2.7), получим:

Q_p = H₂-H₁=D_rH.                                                                      (2.9)

Как видно из уравнения (2.9), в случае изобарного процесса (р = const), теплота, подведенная к системе, равна изменению энтальпии системы. Как и другие характеристические функции, энтальпия зависит от количества вещества, поэтому ее измене­ние (D_rH⁰) обычно относят к 1моль и выражают в кДж/моль.

Таким образом, изменение энергии системы при изобарных процессах характеризуют через энтальпию этих процессов D_rН.

Изменение энергии системы при протекании в ней химиче­ской реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектом химической реакции (энтальпией реакции).

Для изохорного процесса:

Q_V = DU.                                                                        (2.10)

Если реакция протекает в изохорно-изотермических услови­ях, то

Q_v._m = -DU.                                                                     (2.11)

Если реакция протекает в изобарно-изотермических услови­ях, то

Рекомендуем посмотреть лекцию "5.24 Первая мировая война и конец Османской империи".

Q_p,_m = -D_rH.                                                                   (2.12)

Стандартной энтальпией (теплотой) образования D_fH⁰ химического соединения называется изменение энтальпии в процессе образования одного моля этого соединения, находящегося в стандартном состоянии (р = 100 кПа, Т= 298 К), из про­стых веществ, также находящихся в стандартных состояниях и термодинамически устойчивых при данной температуре, фазах и модификациях.

Стандартные теплоты образования определяют только для сложных веществ.

Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией.

Термохимические уравнения - это химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции (D_rH⁰) и физическое состояние реагентов и продуктов.

Если в результате реакции теплота выделяется, т. е. энталь­пия системы понижается (D_rH⁰ < 0, Q > 0), то реакция называется экзотермической. Реакция, протекающая с поглощением тепло­ты, т. е. с повышением энтальпии системы (D_rH⁰ > 0, Q < 0), на­зывается эндотермической.