Энергетика химических реакций
К важнейшим величинам , характеризующим химические системы, относятся внутрення энергия U, энтальпия Н, энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал) G. Все эти величины представляют собой функции состояния, т.е. зависят только от состояния системы, а не от способа, которым это состояние достигнуто.
Протекание химической реакции сопровождается изменением внутренней энергии реагирующих систем. Если внутренняя энергия системы уменьшается (DU<0), то реакция протекает с выделением энергии (экзотермическая реакция).
Если же внутренняя энергия системы возрастает (DU>0), то процесс сопровождается поглощением энергии из внешней среды (эндотермическая реакция).
Если в результате протекания химической реакции система поглотила количество теплоты Q и совершила работу А, то изменение внутренней энергии определяется уравнением:
DU = Q - A
Согласно закону сохранения энергии, DU зависит от начального и конечного состояния системы, но не зависит от способа осуществления реакции.
Если реакция протекает при постоянном объеме (DV=0, изохорный процесс), то работа расширения системы (А= Р* DV) равна нулю. Если при этом не совершаются и другие виды работ (например, электрическая), то DU=Qn, где Q n-тепловой эффект реакции, (т.е. количество поглощенной системой теплоты), протекающей при постоянном объеме. В случае экзотермической реакции тепловой эффект меньше нуля, а для эндотермической реакции тепловой эффект больше нуля.
Для реакций, протекающих при постоянном давлении (изобарный процесс), можно записать уравнение: DН= DU + P* DV, т.е. изменение энтальпии равно сумме изменения внутренней энергии и совершенной работы расширения. Если при этом никакие другие виды работ не совершаются, то DН = Qр. Для экзотермической реакции тепловой эффект меньше нуля, а для эндотермической реакции - больше нуля.
Стандартным состоянием вещества при данной температуре называется его состояние при давлении, равном атмосферному давлению (101,325 кПа = 760 мм рт.ст.). Условия, при которых все участвующие в реакции вещества находятся в стандартном состоянии, называются стандартными условиями протекания реакции. Отнесенные к стандартным условиям изменения соответствующих величин называются стандартными изменениями и их обозначения имеют верхний индекс 0.
Стандартная энтальпия реакции образования 1 моля данного вещества из простых веществ называется стандартной энтальпией образования этого вещества, имеющeй размерность кДж/ моль.
Химические реакции, в которых указаны изменения энтальпии (тепловые эффекты реакций ), называются термохимическими уравнениями. Например, уравнение:
Рb О (к) + СО (г) = Рb (к) + СО2 (г) + 64 кДж
Закон Гесса для термохимических расчетов: Тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний участвующих в реакции веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
ПРИМЕР 1. Исходя из теплоты образования газообразного диоксида углерода (DНо= - 393,5 кДж/ моль ) и термохимического уравнения:
С (графит)+2 N2 O (г) = СО2 (г)+2 N (г); DН
= -557,5 кДж (1)
Вычислить теплоту образования N О (г).
Решение. Обозначив искомую величину через Х, запишем термохимическое уравнение образования N2 О из простых веществ:
N (г) + 1/2 О
(г) = N2 O (г); DН1
= Х кДж (2)
Запишем также термохимическое уравнение образования СО (г) из простых веществ:
С( графит) + О2 (г) = СО2 (г) ; DН
= -393,5 кДж (3)
Из уравнений (2) и (3) можно получить уравнение (1). Для этого умножим уравнение (2) на два и вычтем найденное уравнение из уравнения (3). Имеем:
С(графит) + 2 N О (г) = СО
(г) + 2N
(г );
DН = ( - 393,5 - 2Х ) кДж . (4)
Сравнивая уравнения (1) и (4), находим:
-393,5 - 2Х = - 557,5, откуда Х= 82,0 кДж/ моль.
ПРИМЕР 2. Определить знаки DН, DS, DG для реакции:
АВ (к) + В (г) = АВ
(к),
протекающей при температуре 298 К в прямом направлении. Как будет изменяться значение DG с ростом температуры?
Решение. Самопроизвольное протекание реакции указывает на то, что для нее DG < 0. В результате реакции общее число частиц в системе уменьшается, причем расходуется газ В , а образуется кристаллическое вещество АВ
; это означает, что система переходит в состояние с более высокой упорядоченностью, т.е. для рассматриваемой реакции DS < 0 . Таким образом, в уравнении
DG = DН - Т× DS величина DG отрицательна, а второй член правой части уравнения (Т × DS) положителен. Это возможно только в том случае, если DН < 0. С ростом температуры положительное значение члена Т × DS в уравнении возрастает, так что величина DG будет становиться менее отрицательной.
РЕШИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО ЗАДАЧИ 28-30