Енергетика і напрямок хімічних реакцій
1. Теплові ефекти хімічних реакцій. Закон Гесса
хімічний рівняння Больцмана ентропія
Майже всі хімічні реакції протікають з виділенням або поглинанням енергії у вигляді тепла, світла, електрики, механічної енергії (вибух) та ін. Поглинання або виділення енергії пов'язано з тим, що при протіканні реакцій одні зв'язки розриваються ( у вихідних молекулах), на що необхідно затратити енергію. Інші зв'язки утворюються (в утворюються молекулах), при цьому енергія виділяється. Реакції, що протікають з виділенням енергії, називаються екзотермічними (наприклад, СН 4 + 2О 2 ® СО 2 + 2Н 2 О + Q). Реакції, при протіканні яких енергія поглинається, називаються ендотермічними (наприклад, N 2 + O 2 ® 2NO - Q).
Система - це тіло або група тіл, пов'язаних між собою і подумки або фізично виділених з навколишнього середовища.
Внутрішня енергія системи (Е) - це загальний запас енергії системи, включаючи сюди всі види енергії молекул, атомів, електронів і енергію всередині ядра (крім потенційної і кінетичної енергії системи в цілому).
Внутрішня енергія тіла (або системи) залежить від природи тіла (водень, вода), маси тіла та умов існування даного тіла (температура, тиск). Абсолютне значення «Е» тіла виміряти поки не можна. Зазвичай вимірюють зміна внутрішньої енергії D Е, що відбувається в процесі переходу системи з першого стану в друге, наприклад:
Ентальпія (Н) пов'язана з внутрішньою енергією (Е) співвідношенням:
Н=Е + Рv,
де р - тиск,
V - об'єм системи.
Абсолютне значення Н (як і Е) виміряти не можна, а вимірюють тільки зміна D Н=Н 2 - Н 1 для якого або процесу (аналогічно D Е).
Н і Е - це функції, що характеризують стан системи, тому D Н і D Е не залежать від шляху процесу, а залежать тільки від початкового (Н 1 і Е 1) і кінцевого (Н 2 і Е 2) станів системи.
Одиниці виміру D Н і D Е - це Дж, кДж, кал і ккал.
Для ендотермічних процесів D Н gt; 0, а для екзотермічних процесів D Н lt; 0.
Теплові ефекти хімічних реакцій.
Майже всі хімічні реакції супроводжуються тепловим ефектом. Тепловий ефект - це кількість виділяється або поглинається тепла в реакції, що протікає при певних умовах. Тепловий ефект наводиться зазвичай для одного моля основної речовини і вимірюється в Дж, кДж, кілокалоріях (ккал), причому 1 ккал=4,184кДж.
Розділ хімії, що вивчає теплові ефекти реакцій, називається термохімією .
Зазвичай всі процеси проводяться або в закритій посудині, тобто при постійному обсязі (ізохоричний процес, коли V=const) або у відкритому посуді, тобто при постійному тиску (ізобарну процеси, коли р=const). При цьому тепловий ефект ізохорно-ізотермічен-ського процесу (коли V і Т постійні) дорівнює зміні внутрішньої енергії, тобто Q v=- DE, а ізобарно-ізотермічного процесу (коли р і Т постійні) тепловий ефект дорівнює зміні ентальпії, тобто Q p=- D H.
Теплові ефекти реакцій можна включати в рівняння реакцій.
Хімічні рівняння, записані із зазначенням теплового ефекту, називаються термохімічними .
Величина теплового ефекту вказується звичайно в правій частині рівняння зі знаком плюс для екзотермічної реакції і зі знаком мінус для ендотермічної реакції, причому термохимические рівняння можуть мати дробові коефіцієнти (1/2, 3/2 та ін.) , наприклад:
Н 2 (газ) +? О 2 (газ)=Н 2 О (газ) + 241,8кДж;
N 2 + O 2=2NO - 180,8кДж.
Теплові ефекти в наведених прикладах записані термохимическим способом і позначаються Q,
т.е. для першої реакції Q=+ 241,8кДж, а для другої реакції Q=- 180,8кДж.
Теплові ефекти реакцій можна виражати через D Н, причому D Н=- Q. У цьому випадку термохимические рівняння записують так:
Н 2 (газ) + 1/2О 2 (газ)=Н 2 О (газ); D Н=- 241,8кДж;
N 2 + O 2=2NO; D Н=+ 180,8кДж.
Закон Гесса.
Для розрахунків теплових ефектів різних процесів використовується закон, встановлений російським ученим Гессом в 1840 році:
