Хімічна термодинаміка і термохімія

1 ХІМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА І Термохімія

1.1 ПЕРШЕ ПОЧАТОК ТЕРМОДИНАМІКИ. ЗАКОН Гессен

Хімічна термодинаміка вивчає енергетичні ефекти, що супроводжують хімічні процеси, а також можливість і напрям самовільного протікання процесів.

Сістемойназивается тіло або група тіл, що знаходяться у взаємодії з навколишнім середовищем і подумки відокремлювалися від неї.

У будь-якому процесі дотримується закон збереження енергії:

Це співвідношення називається першим початком термодинаміки і означає, що якщо до системи підводиться теплота Q. то вона витрачається на зміну внутрішньої енергії δ U і на здійснення роботи A.

Під внутрішньою енергією системи U мається на увазі загальний її запас (енергія руху молекул, електронів. Внутрішньоядерна енергія і т.д.) крім кінетичної і потенційної енергії системи в цілому.

Робота звичайно відбувається при розширенні системи проти зовнішнього тиску та при постійному тиску дорівнює A = P δ V. Тому перший закон термодинаміки можна записати в вигляді:

Величина H = U + PV називається ентальпії. Таким чином, тепловий ефект процесу при постійному тиску дорівнює зміні ентальпії δ H. При постійному обсязі V1 = V2. тому Qv = δ U. Qv ≠ Qp. тобто тепловий ефект процесу залежить від умов його протікання.

У лабораторних умовах реакції зазвичай проводяться при постійному тиску (наприклад, в колбі). Теплові ефекти, виміряні при атмосферному тиску (101325 Па Паскаль (Па) - одиниця тиску в системі СІ.
Один паcкаль дорівнює тиску, виробленому силою в один ньютон на площу в один квадратний метр. ) Називаються стандартними і позначаються δ H °. В позначенні може вказуватися абсолютна температура, при якій визначено тепловий ефект, наприклад (при 1 атм і 25 ° С).

Реакції можуть протікати з виділенням тепла (екзотермічні) і з його поглинанням (ендотермічні). Рівняння реакцій, в яких зазначено тепловий ефект, називаються термохімічними. У них наводяться агрегатні стани речовин (г - газ, ж - рідина, т - тверда речовина, до - кристали), а коефіцієнти мають сенс молей Моль - одиниця кількості речовини, що включає 6,02. 10 23 (число Авогадро) молекул або інших частинок речовини. наприклад:

H2 (г) + Cl2 (г) → 2 H С l (г) + 184 кДж

Реакція екзотермічна, тому тепловий ефект вказано зі знаком "плюс". Однак = -184 кДж, тому що система втрачає теплоту, віддаючи її в навколишнє середовище. Те ж рівняння можна записати по-іншому:

1/2 H2 (г) + 1/2 Cl2 (г) → H С l (г) + 92 кДж; = -92 кДж

Закон Гесса. Тепловий ефект процесу залежить тільки від стану вихідних речовин і кінцевих продуктів, але не залежить від способу його проведення. Проілюструємо застосування закону Гесса схемою утворення вуглекислого газу при окисленні графіту:

Вуглекислий газ може бути отриманий в одну стадію; тепловий ефект цієї стадії дорівнює δ H. Двостадійний шлях полягає в окисленні графіту спочатку до CO (парниковий ефект стадії дорівнює δ H1), а потім до CO2 (парниковий ефект δ H2). При обох способах проведення процесу система переходить з одного і того ж початкового стану (графіт) в один і той же кінцевий (вуглекислий газ), тому, відповідно до закону Гесса. δ H = δ H1 + δ H2.

У хімічних довідниках неможливо привести теплові ефекти всіх реакцій. Але із закону Гесса можна отримати важливі слідства, дозволяють обчислити δ H майже всіх процесів. Для цього введемо визначення.

Теплотою образованіявещества називається тепловий ефект реакції отримання 1 моля цієї речовини з простих речовин Прості речовини - це речовини, молекули яких складаються з атомів одного виду: O2 - кисень, Fe - залізо, N2 - азот. Якщо речовина складається з різних атомів, то воно називається складним, наприклад CO - оксид вуглецю (чадний газ). (Позначається. КДж / моль).

Теплотою сгораніявещества називається тепловий ефект згоряння 1 благаючи цієї речовини (. КДж / моль).

Для багатьох речовин і наведені в довідниках (див. Наприклад, детальний on-line довідник або коротку таблицю 1 додатка). Розглянемо схему:

Вихідні речовини та продукти деякої реакції, що має шуканий парниковий ефект δ H. можна отримати з одних і тих же простих речовин (теплові ефекти δ H1 і δ H2 рівні сумарним теплотам утворення вихідних речовин і продуктів відповідно). Тому, відповідно до закону Гесса:

Це рівність висловлює перший наслідок із закону Гесса. Наприклад, для реакції

Для простих речовин Прості речовини - це речовини, молекули яких складаються з атомів одного виду: O2 - кисень, Fe - залізо, N2 - азот. Якщо речовина складається з різних атомів, то воно називається складним, наприклад CO - оксид вуглецю (чадний газ). . тому

Розглянемо іншу схему:

Очевидно, що вихідні речовини і продукти деякої реакції завжди дають одні і ті ж продукти згоряння. Тому, відповідно до закону Гесса:

Це рівність висловлює другий наслідок із закону Гесса.