Химическая термодинамика. Энергетика химических процессов. Внутренняя энергия и энтальпия. Термохимические уравнения. Теплота образования и разложения веществ

Х ими́ческаятермодина́мика — раздел физической химии, изучающий процессы взаимодействия веществ методами термодинамики. Основными направлениями химической термодинамики являются:Классическая химическая термодинамика, изучающая термодинамическое равновесие вообще.Термохимия, изучающая тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции.Теория растворов, моделирующую термодинамические свойства вещества исходя из представлений о молекулярном строении и данных о межмолекулярном взаимодействии.Химическая термодинамика – изуч. переходы хим. энергии в др. формы тепловую, электр.и т.п., устанавливает количеств. законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания хим. реакций при заданных усл.. Системой наз. совокупность наход. во взаимод. веществ, мысленно (или фактически) обособленная от окружающей среды.Гомогенные системы состоят из одной фазы(вода, водный раствор сульфата меди или нитрата калия), гетерогенные- из двух или нескольких фаз(вода с плавающим в ней льдом). Фаза — это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. К термодинамическим параметрам относятся температура, давление, плотность, концентрация.темы в целом. Термод. сост. сист. наз. равновесным, если оно хар. постоянством термод. параметров во всех точках системы и не изменяется самопроизвольно. Изотермические - (T=const), изобарические -(p=const), изохорические - (V=const), адиабатические - (q=0, q-кол-во теплоты).

Внутренняя энергия и энтальпия Влюбом процессе соблюдается закон сохранения энергии:Q = ΔU + A.Это равенство означает, что если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии ΔU и на совершение работы А.Внутренняя энергия системы – это общий ее запас, включающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию движения электронов в атомах, энергию взаимодействия ядер с электронами, ядер с ядрами и т.д., т.е. все виды энергии, кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом.Работа, совершаемая системой при переходе из состояния 1, характеризуемого объемом V1, в состояние 2 (объем V2) при постоянном давлении (работа расширения), равна:А = р(V2 - V1).При постоянном давлении (р=const) с учетом выражения для работы расширения закон сохранения энергии запишется следующим образом:Q = (U2 + pV2) – (U1 + pV1).Сумма внутренней энергии системы и произведения ее объема на давление называется энтальпией Н: Н = U + рV.Поскольку точное значение внутренней энергии системы неизвестно, абсолютные величины энтальпий также не могут быть получены. Научное значение имеют и практическое применение находят изменения энтальпий ΔН.Внутренняя энергия U и энтальпия Н представляют собой функции состояния системы. Функциями состояния являются такие характеристики системы, изменения которых определяются лишь конечным и начальным состоянием системы, т.е. не зависят от пути процесса. Энтальпия системы.. Стандартная теплота (энтальпия) образования – это тепловой эффект образования 1 моль соединения из простых веществ, при условии, что все компоненты системы находятся в стандартных условиях. Предполагается, что простые вещества в этом случае находятся в своих наиболее устойчивых модификациях.В связи с тем что для хим. взаи-модействий наиболее характерна работа расширения, ее обычно выделяют из общей суммы: A = A’ + p ∆V (p= const). Если при протекании процесса работа расширения является единственным видом работы, то A = p ∆V, тогда qp = ∆U + p∆V т.к. ∆U = U2 – U1 и ∆V = V2 – V1, получим qp = (U2 – U1) + p(V2 – V1) = (U2 + pV2) – (U1 + pV1). Сумма (U + pV)- энтальпия системы, qp = H2 – H1 = ∆H- кол-во теплоты сообщ. или выдел. при изобарном процессе равно изменению энтальпии системы. Разделхим.термодинамики,изучающий тепловые эффекты хим.реакцииназыв.термохимией.Реакции,идущие с выделением теплоты(энергии)назыв.экзотермическими.Реакц,протекающие с погощением тепла назыв.энергетическими.Длятого,чтобы отразить энергетические изменения пользуются при реакции термохимич.уравнениями-ур-я,в которых указан тепловой эффект реакции и агрегатное сост.каждого из реагирующих вещ-в.Кол-во выделенной или поглощённой теплоты(энергии)при постоянной температуре эффектом реакции(ДH кДж)(г-газообразное,ж-жидкое,к-кристаллическое,т-твёрдое ).Энтальпия -тепловой эффект реакции образования 1 моля вещ-ва. Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути, по которому она протекает, а определяется только природой и состоянием исходных веществ и продуктов реакции.Теплота и работа. Система может обмениваться с внешней средой веществом и энергией в форме теплоты q и работы А. Если этого обмена нет, то систему называют изолированной. Теплота является мерой энергии, перед.от одного тела к другому, за счет разницы температур этих тел. Работа является мерой энергии, перед. от одного тела к другому за счет перемещения масс под действием каких-либо сил.

19.Стандартные тепловые эффекты различных процессов. Основной закон термохимии (закон Гесса). Применение термохимических расчетов. Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций и фазовых превращений, называется термохимией.В ходе химической реакции происходит перестройка энергетических уровней атомов, молекул, изменяется внутренняя энергия и, следовательно, должно наблюдаться поглощение или выделение теплоты - тепловой эффект.В изохорно-изотермических условиях это Qv= ΔU, а в изобарно-изотермических условиях протекания реакции это Qp = ΔH.Теплота равная термодинамическим функциям состояния сама является термодинамической функцией состояния и, следовательно, не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Этот закон был установлен в 1841 г. русским акад. Г.И. Гессом.Он лежит в основе термохимии и распространяется на все процессы, сопровождающиеся тепловыми эффектами - фазовые превращения, растворение, испарение, кристаллизация и т.д.Поскольку в большинстве случаев химические реакции протекают при постоянном давлении, то в дальнейшем будем рассматривать изобарические условия и тепловой эффект будет являться энтальпией реакции Н. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то тепловой эффект реакции называется стандартной энтальпией реакции Н0.Стандартное состояние веществ не зависит от температуры. Если в ходе реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия системы понижается (ΔН < 0), то реакция называется экзотермической. Реакция, протекающая с поглощением теплоты, т.е. с повышением энтальпии системы (ΔН >0), называется эндотермической.Тепловой эффект реакции относительно мало зависит от температуры реакции и давления, поэтому в расчетах можно использовать стандартные значения энтальпий реакций (Н0).Термохимия оперирует термохимическими уравнениями. В них указывают тепловой эффект, агрегатные состояния веществ и допускаются дробные коэффициенты.С термохимическими уравнениями можно оперировать, как и с алгебраическими уравнениями. Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции.

Закон лежит в основе термохимических расчетов. Рассмотрим реакцию сгорания метана:

Эту же реакцию можно провести через стадию образования СО:

Итак, видно, тепловой эффект реакции, протекающей по двум путям, одинаков.

При термохимических расчетах для определения тепловых эффектов применяют следствия из закона Гесса. Следствия закона Гесса

1 следствие Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммами теплот (энтальпий) образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении.

Тепловой эффект реакции: b B + d D = l L + m M

рассчитывается по уравнениюΔ Н ₁ = l Δ_f H _L + m Δ_f H _M – d Δ_f H _D - b Δ_f H _B

Для термохимических расчетов используют стандартные энтальпии образования веществ Δ_f H ⁰ – это изменение энтальпии в процессе образования 1 моля соединения в стандартном состоянии из простых веществ, тоже находящихся в стандартном состоянии в устойчивых формах и модификациях. Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях, условно принимаются равными нулю.

Стандартные энтальпии образования веществ приведены в справочниках термодинамических величин и известны примерно для 8000 тысяч веществ, что позволяет расчетным путем установить тепловой эффект любого процесса.

2 следствие Важно для реакций, протекающих с участием органических веществ.Тепловой эффект реакции равен разности между суммами теплот (энтальпий) сгорания исходных веществ и продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

Теплота (энтальпия) сгорания – это тепловой эффект сгорания 1 моль органического вещества до СО₂ и Н₂О. Остальные продукты определяются конкретно для каждого случая.