Общие закономерности протекания химических реакций

При анализе возможности заданного превращения веществ или при выборе оптимального способа получения заданного продукта приходится решать две основные задачи: какой вариант энергетически более выгоден (реализуется с большей степенью превращения) и какой протекает с большей скоростью.

Вопросы, связанные с принципиальной возможностью осуществить заданное превращение веществ, независимо от того, как это будет происходить, изучаются в разделе химической теории – химической термодинамике.

Вопросы, связанные с механизмом химических реакций и их скоростью, рассматриваются в химической кинетике.

4.1 Тепловой эффект химической реакции. Понятие об энтальпии

Большинство химических реакций сопровождается выделением или поглощением тепла: первые называют экзотермическими, другие – эндотермическими. Какова природа теплового эффекта реакции? Если вспомнить, что химические превращения – это результат разрыва одних химических связей (с поглощением энергии) и образования других связей (с выделением энергии), то станет понятным, что величина и знак теплового эффекта реакции зависят от соотношения суммарной энергии связей в исходных веществах и в продуктах реакции. Если суммарная энергия связей в исходных веществах больше, чем в продуктах, то реакция будет эндотермической; если более прочные связи в продуктах – экзотермической.

Например, для реакции образования иодоводорода из простых веществ:

0,5 I_2(т) + 0,5 H_2(г) + = HI_(г)

тепловой эффект реакции (Q) – это разность между энергией образующейся связи (Е_H–I) и суммой связей в исходных веществах: энергии испарения твердого йода (Е_субл) и связей в молекулах йода (Е_I–I) и водорода (Е_H–H):

Q = Е_H–I – 0,5[Е_сублI₂ + (Е_I–I + Е_H–H)] = 298,3 – 0,5(436 + 62,4 + 148,8) =

= – 25,3 кДж/моль.

Эта реакция эндотермическая, т.к. сопровождается поглощением тепла.

Раздел химии, в котором изучаются тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией.

Тепловым эффектом химической реакции называют количество теплоты, выделившейся или поглощенной в результате превращения исходных веществ в продукты при p = const (изобарный процесс) или V = const (изохорный процесс) и равенстве температур исходных веществ и продуктов (Т _исх = Т _прод).

Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты (Q), поглощенное системой (или выделившееся из нее), ведет к изменению внутренней энергии системы () и совершению работы (А) против внешних сил (первое начало термодинамики):

Q = + A

(4.1.1)

В химических реакциях изменение внутренней энергии системы обусловлено изменением потенциальной и кинетической энергии всех ее составных частей: молекул, атомов (или ионов), электронов, ядер атомов, их протонов и нейтронов:

= U₂ – U₁,

где U₁ и U₂ – внутренняя энергия системы до и после реакции.

Работа (А) в химических реакциях – это чаще всего работа расширения (или сжатия), т.е.

А = = P(V₂ –V₁),

где V₁ и V₂ –объем системы до и после реакции.

Тогда для изохорного процесса (А_V = = 0)уравнение (4.1.1) преобразуется в следующее:

QV = ,

(4.1.2)

т.е. если химическая реакция не сопровождается изменением объема системы ( = 0), то тепловой эффект реакции равен изменению внутренней энергии системы.

Если реакция протекает при постоянном давлении, то

Q_P = (U₂ – U₁) – P(V₂ – V₁)

После раскрытия скобок и перегруппировки получим:

Q_P = (U₂ + PV₂) – (U₁ + PV₁)

Функцию (U + PV) называют энтальпией (H) системы.