II семестр

Основы химической термодинамики

Химическая термодинамика – это раздел химии, в котором пытаются найти ответ на вопрос: может ли в принципе протекать тот или иной химический процесс, не вдаваясь в детали.

К примеру, есть два варианта химической реакции: . Необходимо выяснить, при каких условиях какой процесс будет протекать. При этом побочно решается вопрос энергетики химических процессов (сколько тепла выделяется или поглощается в результате действия того или иного химического процесса). Термохимия – наука о тепловых эффектах.

Основные понятия: Система – любая часть Вселенной. Открытая система – система, которая может обмениваться со своим окружением веществом и энергией. Закрытая (замкнутая) система – система, которая не может обмениваться со своим окружением веществом. Изолированная система – система, которая не может обмениваться со своим окружением ни веществом, ни энергией.

I закон термодинамики: . Здесь U – внутренняя энергия – все виды энергии вещества системы, кроме кинетической и потенциальной системы как целого. Внутренняя энергия системы не может быть определена абсолютно точно в силу невозможности описать все взаимодействия внутри вещества системы. Возможен расчёт изменения внутренней энергии.

1. – изохорный процесс, .

2. – изобарный процесс, . Обозначим – энтальпия. Тогда всё тепло, подведённое к системе, идёт на изменение её энтальпии.

Пусть у нас протекает следующий процесс: . Энергетическая диаграмма такого процесса будет выглядеть так:

Е сли , то процесс называют экзотермическим, если же , то процесс – эндотермический.

Для обратимых процессов тепловые эффекты прямой и обратной реакции равны по модулю, но отличаются по знаку.

Закон Гесса: Тепловой эффект химического процесса не зависит от пути процесса, но зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов процесса.

Пример: , , . По закону Гесса , .

Следствие: Не имеет значения, каким образом исходные вещества перешли в продукты.

Стандартная энтальпия ( (formation)) – это тепловой эффект химической реакции образования одного моля вещества из простых устойчивых веществ при стандартных условиях. При этом стандартная энтальпия простых веществ принимается равной нулю. Таким образом, , , .

Тепловой эффект химического процесса равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ – следствие из закона Гесса.

Пусть протекает реакция . Тогда .

Кроме того, как химическую реакцию можно рассматривать процесс фазового перехода (перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое). Например, . Тогда КДж/моль.

зависит от соотношения растворителя и растворимого:

Т епловые эффекты реакций, протекающих в растворах

, (Solvent – «сальвация» – взаимодействие раствора с растворителем).

Для химических реакций ионов в растворах составлены особые таблицы, которые называют стандартными теплотами образования ионов. Здесь за ноль принято .

В соответствии с основными принципами физики и термодинамики, самопроизвольно идут те процессы, в ходе которых энергия системы уменьшается.

Второй важный фактор – энтропия. Энтропия – это мера неупорядоченности системы. С точки зрения энтропии самопроизвольно идут те процессы, в ходе которых энтропия увеличивается. , где (энтропийных единиц), а W – статистический вес.

Статистический вес системы (термодинамическая вероятность) – это число микросочетаний, которое может соответствовать данному макросостоянию системы.

Макросостояние – средняя характеристика системы (макропараметр).

Обычно , э.е.

Д ля правильных кристаллов при К, э.е. , э.е.

Энтропия, в отличие от внутренней энергии, может быть рассчитана точно.

Типичные значения энтропии: чем сложнее молекула вещества, тем его энтропия больше; чем прочнее тело, тем его энтропия меньше.

В ходе химической реакции изменение энтропии слабо зависит от температуры, если не изменяется агрегатное состояние веществ.