Физическая и Коллоидная Химия

I. Физическая Химия

Любые химические реакции сопровождаются рядом физических явлений: нагреванием или охлаждением, повышением или понижением давления, теплопередачей, поглощением или выделением теплоты, света, электрическими явлениями, изменением объема и т.д. Эти явления сильно влияют на характер реакции. Например, синтез аммиака ведется при высоком давлении в присутствии катализатора согласно реакции:

Если реакцию осуществлять при давлении 850 атм., то содержание составляет около 30 %, а при 1700 атм. выход аммиака увеличивается до 50 %. То есть, при изменении одного только давления можно повысить выход конечного продукта почти вдвое.

Согласно правилу Вант-Гоффа, при увеличении температуры на 10 , скорость реакции возрастает в 2 – 4 раза. Таким образом, с помощью изменения различных физических параметров можно управлять процессом.

Физическая химия – это наука о взаимосвязи физических и химических явлений.

1. Химическая термодинамика

Термодинамика – наука о взаимном превращении одних видов энергии в другие.

1.1. Основные понятия и определения термодинамики

Система – это тело или совокупность тел, мысленно ограниченных от окружающей среды. Система может быть открытой, закрытой или изолированной.

Открытая система способна обмениваться с окружающей средой и веществом и энергией. Например, все открытые реакторы, все явления, протекающие в природе.

Закрытая система может обмениваться с окружающей средой только энергией. Например, закрытые реакторы.

Изолированная система лишена возможности обмениваться с окружающей средой и энергией и веществом. Например, адиабатические реакторы (в технике).

Любая термодинамическая система характеризуется определенным состоянием, которое определяется совокупностью термодинамических параметров состояния. Все параметры состояния подразделяются на две группы:

1. Внешние параметры, оказывающие воздействие на всю систему. Например, давление, температура, объем напряженность внешнего магнитного поля и т.д.;

2. Внутренние параметры – не зависящие от общего объема или массы системы. Например, концентрации веществ, входящих в систему.

Уравнение, связывающее параметры состояния системы, называют уравнением состояния термодинамической системы.

Пример: если выбрать в качестве системы какой-либо идеальный газ, то основными параметрами будут являться давление , объем и температура . Уравнение, связывающее параметры состояния идеального газа – уравнение Менделеева–Клапейрона:

, (1)

где – число моль идеального газа;

– универсальная газовая постоянная (8,31 ).

Процессом называют любое изменение в системе, приводящее к изменению, по крайней мере, одного из параметров состояния.

Если в результате протекания процесса система возвращается в исходное состояние, то такой процесс называют круговым или циклическим. Циклические процессы очень часто совершаются в природе и технике, например, двигатель внутреннего сгорания.

Равновесным называют процесс, который протекает медленно, через непрерывный ряд состояний, бесконечно близких к равновесным состояниям. Равновесное состояние – это такое состояние, которое не изменяется со временем, оно всегда динамическое, но при этом в системе отсутствуют односторонние потоки вещества и энергии, а внутренние параметры (концентрации) имеют одно и то же значение во всей системе. Состояние термодинамического равновесия обусловлено постоянством внешних параметров.

В действительности равновесных процессов не бывает. Процессы могут быть приближенно равновесными и тем ближе приближаться к равновесным, чем медленнее они протекают.

Обратимый процесс – это процесс, при осуществлении которого в обратном направлении повторяются все промежуточные стадии, а в окружающей среде не происходит никаких изменений.

Необратимый процесс – это процесс, при протекании которого в обратном направлении не повторяется, по крайней мере, одна из промежуточных стадий.

Самопроизвольный процесс – это процесс который при протекании не требует затрат энергии извне. Например, переход теплоты от более нагретого тела к телу с более низкой температурой, смешение двух газов и т.п.

Несамопроизвольный процесс требует для своего протекания затрат энергии. Например, при процессе разделения воздуха на кислород и азот обязательно требуется затратить энергию.

Все реальные самопроизвольно протекающие процессы относятся к числу неравновесных и необратимых. Однако чем медленнее они протекают, тем ближе они к обратимым или равновесным процессам.

Состояние системы в термодинамике принято характеризовать как параметрами, так и функциями состояния. К функциям состояния относится ряд величин, зависящих от параметров состояния системы. Процессы, протекающие в термодинамических системах, характеризуют изменением функций состояния.

Функции состояния системы имеют ряд важных свойств, вытекающих из математических представлений:

1. свойство аддитивности: величина термодинамической функции для всей системы складывается из величин этой функции для определенных ее частей;

2. изменение любой функции состояния определяется только исходным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода этой системы из исходного в конечное состояние, т.е. определяется разностью значений функции в этих состояниях (обладает свойством полного дифференциала).

В химической термодинамике важное значение имеет понятие внутренней энергии.

Внутренняя энергия системы – это совокупность всех видов энергии, присущих системе. Внутренняя энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии всех частиц, составляющих данную систему (за вычетом кинетической и потенциальной энергии всей системы в целом):

, (2)

где – энергия го вида движения (поступательного, вращательного, колебательного, электронных переходов и т.д.)

Пример: если система представляет собой твердое тело, то внутренняя энергия твердого тела включает энергию молекул, атомов, ионов, электронов, составляющих данное тело, но не содержит кинетическую энергию всего тела, связанную с перемещением этого тела как целого.

Обмен энергией между системами или между системой и окружающей средой может происходить в виде двух форм: теплоты и работы.

Теплота – форма передачи энергии, связанная с беспорядочным движением частиц. Мера энергии, переданной от одной системы к другой в результате беспорядочного движения частиц – количество теплоты.

В термодинамике принято считать положительной теплоту, полученную системой от окружающей среды, а отрицательной – теплоту, отданную системой.

Если энергия передается путем упорядоченного движения частиц, то совершается работа. Таким образом, величина работы – есть мера энергии, переданной от одной системы к другой при упорядоченном движении частиц системы.

Например, работа расширения газа в цилиндре с поршнем, электрическая работа (упорядоченное движение электронов вдоль металлического провода).

Работу, совершенную системой против сил внешнего давления, принято считать положительной, а совершенной над системой – отрицательной.

Таким образом, внутренняя энергия определяется состоянием системы и поэтому является функцией состояния, в то время как теплота и работа связаны с процессом, следовательно, являются функциями процесса.