Основные понятия химической термодинамики
ЭНЕРГЕТИКА И НАПРАВЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
4.1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
4.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ СИСТЕМЫ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
ТЕРМОХИМИЯ
НАПРАВЛЕНИЕ ТЕЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Развитие человеческого общества, вся его деятельность неразрывно связаны с потреблением все возрастающих количеств энергии. Большая часть (почти 92%) производимой людьми энергии образуется главным образом при сгорании угля, нефтепродуктов и природного газа, т.е. получается в результате химических реакций. Превращения одних веществ в другие сопровождаются, как правило, превращение химической энергии в другие виды энергии (например, выделение или поглощение теплоты, света, возникновение электричества и т.п.). В связи с этим химии наряду с веществом приходится иметь дело и с энергией.
Изучение взаимных превращений различных форм энергии и законов этих превращений является предметом общей термодинамики. Важным разделом химии является химическая термодинамика, которая изучает переходы энергии из одной формы в другую при химических реакциях.
Химическая термодинамика позволяет ответить на важнейшие вопросы, которые возникают при изучении любой химической реакции, (зачастую не осуществляя эту реакцию в действительности). Прежде всего, химическая термодинамика позволяет:
- количественно оценить энергетические эффекты химических реакций;
- определить направление и глубину протекания химического процесса;
- оценить строение и термодинамическую устойчивость вещества;
- рассчитать энергии межатомных и межмолекулярных связей.
Ответы на эти вопросы дают возможность:
- выбрать условия проведения реакции, при которых выход нужных продуктов был бы максимальным;
- рассчитать энергетический баланс технологического процесса;
- провести расчеты химического реактора (чтобы безопасно проводить химическую реакцию, выбрать материал конструкции и т.п.), двигателей, тепловых электростанций, отопительных устройств и др., а также решать ряд других прикладных задач.
Прежде чем перейти к рассмотрению элементов химической термодинамики, определим некоторые используемые в ней понятия.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Объектом изучения в термодинамике является система.
Система - это совокупность тел (веществ), находящихся во взаимодействии и выделенных из внешней среды реальными или мысленными границами.
Химическая система может состоять, например, из атомов, молекул, ионов и др., либо из любой их комбинации. Часть материального мира за пределами условно выделенной из него системы называется внешней средой (окружением).
Различают изолированные и неизолированные системы. Последние подразделяют на закрытые и открытые системы. Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни энергией (DH = 0), ни веществом. Закрытые системы могут обмениваться с внешней средой только энергией (DH ¹ 0). Открытые системы обмениваются с внешней средой и энергией (DH ¹ 0), и веществом.
Отдельная часть системы, имеющая на всем протяжении одинаковые физические свойства, однородный химический состав и обладающая поверхностью раздела, называется фазой. Системы, состоящие из одной фазы, называются гомогенными (например, растворы, воздух - смесь газов). Системы, состоящие из нескольких фаз, называются гетерогенными (например, вода с плавающим в ней льдом, жидкости с ограниченной взаимной растворимостью). Вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, называется компонентом системы (например, в водном растворе сульфата меди H2O и CuSO4 представляют компоненты системы). Одна и та же система может находиться в различных состояниях. Каждое состояние системы характеризуется набором ее свойств - параметров состояния, к которым относятся, в частности, химический состав системы (концентрация), температура, объем, давление, плотность и т.д. Состояние системы, которое характеризуется постоянством термодинамических параметров во всех точках системы и не изменяется самопроизвольно (без затраты работы), называется равновесным. В химической термодинамике свойства системы рассматриваются в ее равновесных состояниях.
Стандартным состоянием вещества называется наиболее устойчивое его состояние при давлении 101325 Па и данной температуре. Например, при температуре ниже 0 °C стандартным состоянием воды будет твердое, в интервале 0-100 °C - жидкое и при более высоких температурах - газообразное. Условия, при которых все участвующие в реакции вещества находятся в стандартных состояниях, называются стандартными условиями протекания реакции. Для химических реакций стандартные условия означают: 1) равенство температур реагентов и продуктов реакции и 2) поддержание для каждого газообразного вещества, участвующего в реакции, постоянного давления, равного 101325 Па. Если все участники реакции находятся в конденсированном состоянии, то должно поддерживаться давление в 101325 Па. За стандартные условия принимают давление в 101325 Па и температуру, равную 298,15 К.
Переход системы из одного состояния в другое может осуществляться при различных условиях. Процесс, протекающий при постоянной температуре (T = const), называется изотермическим, при постоянном объеме (V = const) - изохорным, при постоянном давлении (p = const) - изобарным. Процесс, протекающий при отсутствии теплообмена между системой и окружающей средой, называется адиабатическим.
Свойство системы, которое зависит от параметров состояния и не зависит от пути, по которому система пришла в данное состояние, называется функцией состояния. Функциями состояния системы являются такие ее свойства как внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S), энергия Гиббса (G), энергия Гельмгольца (A). Когда состояние системы изменяется, изменение любой функции состояния зависит только от начального (обозначим его цифрой 1) и конечного (обозначим его цифрой 2) состояний системы, но не зависит от того, каким способом осуществляется это изменение состояния. Поэтому только для функции состояния (обозначим F) справедливо равенство:
| DF = F2 - F1 | (4.1). |
Для химической системы, состоящей из веществ A, B, P и Q, взаимодействие между которыми осуществляется в соответствии с уравнением реакции:
aA + bB = pP + qQ,
изменение любой термодинамической функции состояния (F) всегда определяется как разность между суммой значений функции состояния конечных веществ и суммой значений функции состояния исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции и может быть определено по формуле:
| DF = (qF(Q) + pF(P)) - (bF(B) + aF(A)) | (4.2). |
Изменение величин соответствующих термодинамических функций, отнесенные к стандартным условиям, называются стандартными изменениями и их обозначают как DF°(298 K), например: DU°(298 K), DH°(298 K), DS°(298 K), DG°(298 K).