ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Вопросы, на которые необходимо обратить внимание при изучении темы (по лекционному материалу и рекомендуемой литературе):
Основные понятия: системы, параметры, процессы, функции состояния. Законы термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия. Закон Гесса и его следствия. Энтропия. Энергия Гиббса и направленность химических реакций. Критерий самопроизвольного протекания процесса. Энтальпийный и энтропийный факторы.
Вопросы темы, выносимые для самостоятельного изучения (сделать краткий конспект):
Термодинамическая устойчивость химических соединений. Биохимическая термодинамика. Функции состояния и биологические процессы.
Энергетика химических процессов. Закон Гесса, расчет теплового эффекта, энтропия, энергия Гиббса
При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. Тепловой эффект реакции, измеренный при температуре 298 К и давлении 101,325 кПа, называют энтальпией реакции (DHхр) и выражают в килоджоулях.
Для экзотермических реакций DН < 0, для эндотермических - DН > 0. Энтальпию образования 1 моль данного вещества из простых веществ, измеренную при температуре 298 К и давлении 101,325 кПа, называют стандартной DНf298 (кДж/моль). Энтальпию простых веществ условно принимают равной нулю.
Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции (DНхр) равен сумме теплот образования DНf продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов этих веществ:
DНхр = åDНf продуктов - åDНf исходных веществ.
У формулы каждого вещества указывают его физическое состояние: газообразное (г), жидкое (ж), твердое кристаллическое (к).
В термохимических уравнениях тепловые эффекты реакций дают в расчете на 1 моль исходного или конечного вещества. Поэтому здесь допускаются дробные коэффициенты.
При химических реакциях проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны система стремится к упорядочению (агрегации) – уменьшению Н, а с другой стороны – к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением температуры, а вторая с её повышением. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, названная энтропией S (Дж/моль × К). Она является мерой неупорядочности системы. Энтропия пропорциональна количеству вещества и возрастает с увеличением движения частиц, т.е. мера беспорядка » ТDS. Энтропия – функция беспорядка, т.е.
DSхр = åSпродуктов -åSисходных веществ
Общая движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремлению к беспорядку (ТDS). При р = const и Т = const общую движущую силу процесса (DG) можно представить следующим образом:
DG = DH - TDS
DG – энергия Гиббса или изобарно-изотермический потенциал, также подчиняется следствию закона Гесса:
DGхр = åDGобр. продуктов - åDGобр. исходных веществ
Самопроизвольно протекают процессы, идущие в сторону уменьшения DG (DG<0). Если DG>0 - процесс самопроизвольно проходить не может. При состоянии равновесия DG = 0, тогда DН=ТDS
Температура начала равновесной реакции равна:Т=DН/DS
Вопросы для самоконтроля
1. Что называется термохимическим уравнением? Почему в нём необходимо указывать агрегатное состояние веществ и их полиморфные модификации?
2. Каковы две системы знаков тепловых эффектов?
3.Что называется стандартной теплотой (энтальпией) образования соединения? Какие условия называются стандартными?
4. Сформулируйте закон Гесса и следствие из этого закона. Какова взаимосвязь закона Гесса и закона сохранения энергии?
5. В каком направлении самопроизвольно протекают химические реакции? Что является движущей силой химического процесса?
6.Каковы термодинамические условия самопроизвольного протекания химической реакции?
7.Что такое изобарно – изотермический потенциал химической реакции и как он связан с изменением энтальпии и энтропии реакции?
8.Как вычислить изменение энергии Гиббса в реакции по термодинамическим характеристикам исходных веществ и продуктов реакции?
9. Что такое энтропия реакции?
10. Как изменяется энтропия с увеличением движения частиц в системе?