ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. Энергетика химических реакций– это раздел химии, которая изучает закономерности энергетических переходов в химических процессах и направление протекания

Энергетика химических реакций– это раздел химии, которая изучает закономерности энергетических переходов в химических процессах и направление протекания химических процессов.

Энергетическое состояние|стан| физико| – химических систем характеризуется термодинамическими функциями состояния|стана| системы:

- внутренняя энергия;

- энтальпия;

- энтропия;

- энергия Гиббса.

Внутренняя энергия ( U, кДж) – сумма всех видов энергии всех частиц, которые составляют систему, без учета энергии системы как целого (потенциальной и кинетической).

Для изохорних| процессов (V = const| )

∆ U = QV

где ∆U - изменение|смена| внутренней энергии системы;

QV - теплота, которую поглощает или отдает система ( тепловой эффект) при постоянном объеме.

Энтальпия (∆Н, кДж) - теплосодержание системы, которая выполнила работу расширения (р∆V) за счет прибавленной теплоты.

Для изобарных процессов (Р = const| )

∆Н = - QР = - ( ∆U + р∆V )

где ∆Н – изменение|смена| энтальпии системы;

QР – теплота, которую поглощает или отдает система ( тепловой эффект ) при постоянном давлении.

Таким образом ∆Н – это тепловой эффект процесса, который происходит при постоянном|устоявшемся| давлении.

∆Нх.р. – тепловой эффект химической реакции (х.р.), которая происходит при постоянном давлении.

Эндотермические процессы– это процессы, в ходе которых система поглощает энергию (∆ Н > 0).

Экзотермические процессы– это процессы, в ходе которых система энергию отдает (∆ Н < 0).

Теплота образования вещества– это тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ, устойчивых при стандартных условиях ( ∆Нобр., кДж / моль).

Стандартные условия характеризуются давлением, что равняется 1,01 • 105 Па, и температурой, которая равняется 298К ( ∆Н0298).

Теплота разложения вещества– это тепловой эффект реакции разложения 1 моль вещества на простые вещества, устойчивые при стандартных условиях ( ∆Нразл., кДж / моль).

Теплота разложения данного соединения численно равняется теплоте ее образования, но имеет противоположный знак. ∆Нразл. = - ∆ Нобр.

Теплоты образования и разложения простых веществ ( СО2, Н2, Fe, S ) принятые ровными нулю.

Теплота растворения вещества– это тепловой эффект процесса растворения 1 моль вещества до устойчивого состояния ( молекулы или ионы) (∆ Нраств., кДж / моль).

Теплота сгорания- это теплота, которая выделяется при реакции сгорания в кислороде 1 моль вещества до состояния высших оксидов ( ∆Нсгор., кДж / моль).

Ст + О2(г) → С+4О2(г) , ∆ Нсгор.

Стандартные тепловые эффекты – это тепловые эффекты, измеренные или рассчитанные для процессов, которые происходят при стандартных условиях ( ∆Н0298, кДж ).

Закон Гесса (Г.И. Геса, 1840р.). Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояний исходных веществ (реагентов ) и продуктов реакции и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Следствие из закона Гесса. Стандартный тепловой эффект реакции равняется сумме стандартных теплот образования продуктов реакции с вычитом суммы стандартных теплот образования исходных веществ.

∆Н0х.р. = ∑ ∆Н0образования продуктов - ∑∆Н0образования реагентов

Уравнение термохимической реакции отличается от химического уравнения тем, что в нем обязательно указываются агрегатные состояния веществ|стана| и значения теплового эффекта реакции:

А(г)+ 2В(т)= С(р)+ 3Д(к), ∆Н0х.р.

где А, В – реагенты

С, Д – продукты

г – газообразное агрегатное состояние|стан|

р – жидкость

т – твердое вещество

к – кристаллическое вещество.

Расчет теплового эффекта приведенной условной реакции (∆Н0х.р.) согласно следствию из закона Гесса.

∆Н0х.р. = ( ∆Н0обр(С). + 3 ∆Н0обр(Д).) – ( ∆Н0обр(А). +2 ∆Н0обр(В).)

Значение ∆Н0х.р. может быть использовано в качестве критерия для определения вероятного направления хода реакции. В соответствии с принципом минимальной энергии реакции могут происходить произвольно в том направлении, которое сопровождается уменьшением энергии системы. Это экзотермические реакции, для каких ∆Н0х.р.< 0.

Для объяснения случаев, когда произвольно происходят эндотермические реакции

( ∆Н0х.р.> 0), нужно привлечь еще одну термодинамическую функцию состояния системы.

Энтропия (S, Дж / К ) – количественная мера неупорядоченности системы.

S = R ∙ ln ω ∕ NA , Дж ∕ К

где S – энтропия

R – универсальная газовая постоянная

NА – число Авогадро

ω – термодинамическая вероятность состояния|стана| системы – число микросостояний|стана|, которыми|какими| реализуется данное макросостояние|стан| системы.

Значение ω, и соответственно значение энтропии системы увеличивается при:

а) усложнении|усложнении| молекул;

б) при переходе вещества из|с| кристаллического состояния|стана| в аморфный, или в жидкий|редкий| и дальше в газообразный;

в) при повышении температуры.

В ходе химических реакций энтропия повышается в случае увеличения числа структурных единиц и веществ в газообразном состоянии|стане|.

Значения энтропий, рассчитанные для стандартных условий, называются стандартными энтропиями (S0298 (вещества), Дж К ) и приведены в справочные таблицы. Энтропии простых веществ, в отличие от ∆Н0обр. простых веществ не равняются нулю

(Sпростых веществ ≠ 0).

Изменение|смена| энтропий в физико| – химических процессах рассчитывается согласно следствию из закона Гесса:

∆S0х.р. = ∑ S0продуктов - ∑ S0реагентов

Изменение|смена| энтропий отображает « стремление » системы к|до| неупорядоченности частиц|частички|. Поэтому произвольно могут происходить процессы, которые|какие| сопровождаются увеличением энтропии, то есть при ∆S > 0.

Окончательный вывод о направлении хода физико| – химических процессов дает значение термодинамической функции состояния|стана| системы, которая|какая| называется энергией Гиббса.

Энергия Гиббса (G, кДж ) или изобарно – изотермический потенциал – это энергия, за счет которой, система может выполнить работу.

Энергию Гиббса (G ), как и энтальпию (Н), определить невозможно, потому|оттого| количественным критерием осуществления процессов является изменение|смена| энергии Гиббса (∆G ).

Значение ∆G0обр. веществ приведены в справочные таблицы (∆G0обр. простых веществ равняются нулю ).

Изменение|смена| энергии Гиббса, которая является функцией состояния|стана| системы, может быть рассчитано согласно следствию из закона Гесса:

∆G0х.р. = ∑ ∆G0образовання продуктов - ∑∆G0образовання реагентов

Энергия Гиббса связана с энтальпией, энтропией и температурой, соотношением:

G = H – T S (1)

∆G = ∆H – T ∆S (2)

Учитывая,|к св что произвольному протеканию процессов способствуют|содействуют| условия ∆Н < 0 ∆S > 0, из|с| уравнения (2) можно сделать|совершить| вывод: произвольное протекание процессов происходит при условии ∆G < 0.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Химическая кинетика– это раздел химии, которая изучает скорости химических реакций и факторы, которые на них влияют.

Скорости химических реакцийопределяются, как изменение концентраций реагентов, или продуктов реакции за единицу времени.

Скорости реакций в гомогенных системах ( гомогенные реакции ) рассчитываются по уравнению:

υгомог. = ± ∆С ∕ ∆τ ; моль ∕ л ∙ сек (минут, часов)

υгомог – скорость гомогенной реакции;

с – молярные концентрации реагентов или продуктов;

τ - время протекания реакции.

Гомогенные системы– это системы, между компонентами которых отсутствуют реальные границы разделения. Например: смесь газов, смесь взаимно растворимых жидкостей.

Гетерогенные системы- это системы, между компонентами ( фазами ) которых существует реальная граница разделения. Например: газ – твердое вещество, твердое вещество – жидкость, и тому подобное.

Скорость реакции в гетерогенных системах ( гетерогенных реакциях ) рассчитывается по уравнению:

υгетерог. = ± ∆n ∕ ∆τ ∙ S ; моль ∕ сек ∙ см2

υгетерог - скорость гетерогенной реакции

n – число моль| реагента| или продукта|

τ – время протекания реакции

S – площадь поверхности конденсируемой фазы, на которой|какой| происходит реакция.

Факторы, которые|какие| влияют на скорость реакции

Природа реагентов.

Под природой веществ следует понимать качественный и количественный элементный состав веществ, параметры химических связей, термодинамические параметры, агрегатное состояние|стан|, и тому подобное.

2K + 2 H2O = 2KOH + H2 , υ1 - взрыв

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2 , υ2 – при нагревании медленно

Cu + H2O υ3 – не происходит

υ1 > υ2 ; υ2 > υ3 ; υ3 = 0

Причина в разной|различной| природе металлов калия, магния, купрума|.

Энергия активации, Эакт., кДж - это избыточная энергия, которая составляет разницу между средней энергией системы и энергией, при которой происходит реакция. Атомы, или молекулы, которые имеют этот избыток энергии называются активированными или активными.

С(т) + О2(г) = СО2(г) , ∆G 0298 <0

По термодинамическим критериям приведенная|наведенная| реакция при стандартных условиях должна происходить самопроизвольно|. Но в действительности реакция начинается лишь|только| после значительного подогревания | – активации. Активировать реагенты можно также действуя на них светом ( фотосинтез, фотолиз ) или γ – излучением ( радиолиз ).

Преодолеть большую|великую| энергию активации в случае необходимости можно путем изменения|смены| механизма реакции.

Катализ– это химический процесс, который происходит при участии катализатора.

Катализатор– это вещество, участие которого в химической реакции приводит к уменьшению энергетических затрат на проведение реакции.

А + В > АВ, Эакт.1 – прямой процесс

А + К > АК, Эакт.2 - катализ

АК + В > АВ + К, Эакт.3 - катализ

где К – катализатор ; АК – активный комплекс

Эакт.2 < Эакт.1 ; Эакт.3 < Эакт

Температура

Повышение температуры проведения реакции приводит ( кроме преодоления энергии активации ) к|до| увеличению скорости движения и частоты столкновения атомов или молекул реагентов, что способствует|содействует| повышению скорости реакции.

Правило Вант – Гоффа

При повышении температуры проведения реакции на каждых 100С ( 10К ) скорость ее возрастет от 2 до 4 раз

υt2 / υt1 = γ t 2 - t 1 ∕ 10

где υt2 , υt1 - скорость реакции при температурах t1 и t2 соответственно.

γ - температурный коэффициент реакции - число, которое показывает во сколько раз возрастет скорость данной реакции при повышении температуры на 100С ( 10К ).

Концентрация реагентов

Закон действующих масс– при постоянных условиях ( температуре и давлении ) скорость реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагентов в степенях, которые равняются стехиометрическим коэффициентам.

аА(г) + вВ(г) = сС(г) + dD(г) химическое уравнение

υх.р. = к [ А ]а ∙ [ В ]в , моль ∕ л кинетическое уравнение

где υх.р. - скорость химической реакции

к – константа скорости данной реакции. При [ А ] = [ В ] = 1 моль / л υх.р. = к

[ А ], [ В ] – молярные концентрации реагентов

а, в – стехиометрические| коэффициенты при реагентах А, В.

В|до| кинетические уравнения гетерогенных реакций не включаются концентрации веществ, которые находятся|перебывают| в конденсируемом состоянии|стане|.

аА(газ) + вВ(твердая) = сС(газ) + dD(жидкость)

υх.р. = к [ А ]а

Химическое равновесие

это состояние|стан| обратимой |обращенной| реакции, при котором|какого| скорость прямой реакции| равняется скорости реакции обратной.

Обратимые реакции ( ↔ ) – это реакции, которые проходят как в прямом ( → ), так и в обратном ( ← ) направлениях.

аА| + вВ| ↔ сС| + dD|

Исходные концентрации веществ- это концентрации реагентов к началу реакции

[ А ]исх.., [ В ]исх. Концентрации продуктов [ С ]исх.. = [ D ]исх. = 0

Равновесные концентрации - это концентрации реагентов и продуктов в состоянии равновесия [ А ]г., [ В ]г., [ С ]г., [ D ]г.

Исходя из сущности равновесия

→ ← → ←

υ = υ тогда к [ А ]а ∙ [ В ]в = к [ С ]с ∙ [ D ]d

тогда к [ С ]с ∙ [ D ]d

--- = Кравн = ----------------

к [ А ]а ∙ [ В ]в

где Кравн - константа равновесия процесса аА + вВ ↔ сС + dD

Константа динамического химического равновесия определяет глубину протекания реакции в момент достижения состояния равновесия. Чем больше величина Кравн., тем полнее взаимодействуют вещества.

При проведении технологических процессов состояние|стан| равновесия нежелательно, потому что|ибо| препятствует доведению|доказывает| реакции до конца и получению максимального выхода целевого продукта.

Сущность сдвига динамического химического равновесия заключается в увеличении или уменьшении скорости прямой или обратной реакции. Поэтому для осуществления сдвига равновесия можно использовать один или несколько факторов, которые влияют на скорость реакции ( концентрация, температура, давление, и тому подобное).

Принцип Ле Шателье( 1884 )

Если на систему, которая находится|перебывает| в состоянии равновесия, подействовать извне|снаружи|, то в системе будет происходить та реакция, в результате|вследствие| которой|какой| внешнее действие ослабляется.

Таким образом,скоростьхимических реакций можно прогнозировать. Скоростями химических реакций можно управлять.

Наши рекомендации