Міністерство освіти і науки України Сумський державний університет машинобудівний коледж
Опорні конспекти
з фізичної хімії
Затверджено
на засіданні циклової комісії
природничо – математичних дисциплін
протокол № ____ від _________20___р.
ЗМІСТ
РОЗДІЛ І. ХІМІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА 3
Тема: Основні поняття та визначення хімічної термодинаміки 3
1 Фізична хімія як розділ хімії. Термодинаміка. 3
2 Основні термодинамічні поняття: 3
2.1. Термодинамічні системи та їх класифікації 3
Тема: Теплові ефекти хімічних реакцій 7
3 Термохімія. Основні поняття термохімії. 7
Тема: Ентропія. Енергія Гіббса. 11
4 Поняття про ентропію та енергію Гіббса. 11
Тема: Термодинамічні потенціали 14
5 Термодинамічні потенціали та умови спонтанності протікання процесів. 14
РОЗДІЛ ІI. ХІМІЧНА ТА ФАЗОВАГА РІВНОВАГА 17
Тема: Хімічна рівновага 17
6 Константа хімічної рівноваги. 17
Тема: Хімічна рівновага в гетерогенних системах 20
7 Хімічна рівновага в гетерогенних системах 20
Тема: Фазова рівновага 22
8 Фазова рівновага. 22
РОЗДІЛ ІІІ. ХІМІЧНА КІНЕТИКА 26
Тема: Енергія активації. Швидкість хімічної реакції. 26
9 Кінетика. Поняття про швидкість реакції. 26
10 Фактори, що впливають на швидкість реакції 26
2.1. Концентрація реагуючих речовин 26
Тема: Кінетична класифікація хімічних реакцій 31
11 Поняття молекулярності реакції. 31
12 Порядок реакції. Класифікація реакцій за порядком. 31
Тема: Способи визначення порядку реакції 34
13 Диференціальні способи визначення порядку реакції 34
14 Інтегральні способи визначення порядку реакції 34
Розділ і. Хімічна термодинаміка
Тема: Основні поняття та визначення хімічної термодинаміки
План
1Фізична хімія як розділ хімії. Термодинаміка.
2Основні термодинамічні поняття:
2.1. Термодинамічні системи та їх класифікації
2.2.Термодинамічний процес
Основні термодинамічні величини
Перший закон термодинаміки
1. Серед багаточисельних розділів фундаментальної дисципліни «Хімія» «Фізична хімія» займає особливе місце. Історично склалося так, що початкові накопичення знань в хімії стосувалися в основному якісних уявлень про речовини. Багато чисельні відкриття в неорганічній, органічній, колоїдній хімії, хімії високомолекулярних сполук, біохімії і багатьох розділах хімії являли собою набір експериментальних фактів про властивості речовин різної природи. Ці відкриття відіграли дуже велику роль в уявленнях про структуру і властивості матерії, дозволили отримати нові промислово важливі речовини і матеріали. Проте на певному етапі розвитку хімії стало зрозумілим, що подальший розвиток цієї важливої науки неможливий без застосування математичних методів, без вивчення фізичних закономірностей протікання хімічних процесів. На перший план вийшов ПРОЦЕС.
Фізична хімія – це розділ хімії, який вивчає і встановлює фізичні закони, за якими протікають хімічні реакції.
Завдяки цим законам хімія стала кількісною наукою, з’явилася можливість керувати процесами.
Перша згадка про фізичну хімію відноситься до 1755 року, коли М.В.Ломоносов читав курс під цією назвою студентам Московського університету. Швидкий розвиток фізичної хімії починається в середині ХІХ ст. В наш час фізична хімія – самостійна наукова дисципліна зі своїм набором методів дослідження і обробки результатів. Фізична хімія складається з декількох розділів, найбільше значення серед яких мають «Хімічна термодинаміка» і «Хімічна кінетика».
Термодинаміка – розділ фізичної хімії, який вивчає переходи енергії з однієї форми в іншу, від однієї частини системи до іншої; енергетичні ефекти, що супроводжують різні фізичні і хімічні процеси, залежність їх від умов протікання процесів; можливість, напрямок і межі самодовільного протікання процесів в заданих умовах.
2.1. Термодинамічною системою називають тіло або групу тіл, які знаходяться в енергетичній взаємодії і уявно або фізично відокремлених від оточуючих тіл (оточуючим середовища).
Класифікація систем:
за можливістю тепло- і масообміну: ізольовані, закриті і відкриті.
Ізольована система не обмінюється з оточуючим середовищем ні речовиною, ні енергією. Закрита система обмінюється з оточуючим середовищем енергією, але не обмінюється речовиною. Відкрита система обмінюється з оточуючим середовищем і речовиною і енергією. Поняття ізольованої системи використовується у фізичній хімії як теоретичне.
за внутрішньою структурою і властивостях: гомогенні і гетерогенні.
Гомогенною називається система, всередині якої немає поверхонь, які ділять систему на частини, різні за властивостями або хімічному складі. Прикладами гомогенних систем є водні розчини кислот, основ, солей, суміші газів. Гетерогенні системи місять всередині себе природні поверхні. Прикладами гетерогенних систем є системи, які складаються з різних за агрегатним станом речовин: метал і кислота, газ і тверда речовина, дві нерозчинні одна в одній рідини. Гетерогенні системи складаються з фаз і компонентів.
Фаза – це гомогенна частина гетерогенної системи, яка має однаковий склад, фізичні і хімічні властивості, відділена від інших частин системи поверхнею, при переході через яку властивості системи змінюються стрибкоподібно.
Компонент – будь-яка речовина, яка входить в систему, яку можна з неї виділити і яка може існувати окремо від системи.
2.2. Властивості системи в фізичній хімії можуть бути описані завданням параметрів системи. В якості параметрів найчастіше виступають температура (Т), тиск (Р), об’єм (V) і кількість речовини (ν). Якщо параметри системи постійні, говорять, що система знаходиться в стані рівноваги.
Якщо параметри системи змінюються, то в системі протікає термодинамічний процес. Процес називають рівноважним, якщо його можна представити як ряд послідовних рівноважних станів системи. У іншому випадку говорять про нерівноважний процес. Розрізняють оборотні і необоротні процеси. Оборотним процесом називають рівноважний процес, який може в одних і тих же умовах самодовільно протікати як в прямому, так і в зворотному напрямках. До необоротних процесів відносяться нерівноважні і не самодовільні процеси.
Процеси можуть бути ізотермічними (протікають при Т=const), ізобарними (Р=const), ізохорними (V=const), адіабатними (протікають без теплообміну з навколишнім середовищем). Найбільше значення в хімічній термодинаміці мають ізобарно-ізотермічні (Р,Т=const) та ізохорно-ізотермічні (V,Т=const) процеси, тому що саме в таких умовах протікають всі хімічні реакції.
3. До основних термодинамічних величин належать робота, теплота, внутрішня енергія та теплоємність.
Теплота (Q) – енергія, що передається однією системою іншій при їх взаємодії, яка залежить тільки від температури цих систем.
Робота (А) – енергія, що передається однією системою іншій, яка залежить від наявності силового поля або зовнішнього тиску, під дією якого система змінює свій об’єм.
Правило знаків для теплоти і роботи: теплота вважається додатною, якщо вона підводиться до системи з навколишнього середовища (поглинена теплота) і від’ємною в протилежному випадку (віддана теплота); робота вважається додатною, якщо вона здійснюється самою системою над навколишнім середовищем, і від’ємною, якщо роботу здійснює навколишнє середовище над системою.
Внутрішня енергія (U) – запас енергії системи. Включає в себе всі види енергії, пов’язані з будовою системи, і не включає кінетичні і потенціальну енергії системи як цілого.
Теплоємність (С) – кількість наданої системі теплоти, віднесена до спричиненого при цьому підвищенню температури.
С =
4. Закони термодинаміки є емпіричними, тобто встановлені шляхом узагальнення експериментальних даних. Спочатку вони були сформульовані для описання роботи теплових машин в середині ХІХ ст. Потім була доведена їх універсальність.
Перший закон термодинаміки є окремим випадком одного з найважливіших законів природознавства – закону збереження і перетворення енергії.
Можна навести декілька формулювань І закону термодинаміки:
1) Не можна створити теплову машину, яка здійснює механічну роботу без затрати теплоти. Така теплова машина отримала назву вічний двигун І –го роду.
2) Теплота, поглинена системою, витрачається на зміну внутрішньої енергії і здійснення системою роботи.
δQ = dU + δА
Важливим наслідком І закону термодинаміки є закон Гесса, який дозволяє обчислювати теплові ефекти хімічних реакцій.