Модуль 2. Закономірності перебігу хімічних процесів

Мета модуля – формування розуміння закономірностей перебігу реакцій і управління ними: енергетика, швидкість і рівновага взаємодіючих систем.

Розділ 2.1. Хімічна термодинаміка

2.1.1. Основні поняття хімічної термодинаміки

Хімічна термодинаміка вивчає енергетичні ефекти, що супроводжують хімічні реакції, можливість, напрямок та межу перебігу реакцій. Розглянемо деякі поняття хімічної термодинаміки.

Системою називають умовно виділене з навколишнього середовища окреме тіло або групу тіл, які взаємодіють між собою. Систему називають ізольованою, якщо між нею і навколишнім середовищем відсутні масо- і теплообмін. Якщо масообмін відсутній, а теплообмін можливий, систему називають закритою. Якщо між системою і зовнішнім середовищем можливий і масо-, і теплообмін, то систему називають відкритою.

Під станом системи розуміють сукупність її фізичних і хімічних властивостей. Ці властивості називають параметрами стану системи (або термодинамічними параметрами). Властивості поділяють на інтенсивні (температура, тиск, густина, концентрація, теплоємність), якими характеризують кожну частину системи, та екстенсивні, які залежать від кількості речовини або маси (об’єм, енергія). Інтенсивні властивості при змішуванні частин системи усереднюються або вирівнюються. Так, якщо змішати дві рідини з різними значеннями густини, одержуємо суміш, густина якої буде усереднюватися, тобто матиме проміжне значення щодо густин цих рідин. А у випадку екстенсивних властивостей, при змішуванні частин системи ці властивості суміші підсумовуються.

Поводження термодинамічних параметрів під час перебігу термодинамічних процесів покладено в основу такої класифікації процесів:

1. ізобарний – відбувається за сталого тиску;

2. ізохорний – відбувається за сталого об’єму;

3. ізотермічний – відбувається за сталої температури;

4. адіабатний – відбувається без поглинання та виділення теплоти (тобто без теплообміну з навколишнім середовищем).

Якщо хоча б один із параметрів системи змінюється з часом, то говорять, що в системі відбувається процес. Процеси бувають:

– оборотними, коли перехід системи з одного стану в інший і навпаки може відбуватися тим самим шляхом, причому після повернення системи у вихідний стан у навколишньому середовищі не залишається макроскопічних змін;

– необоротними, коли параметри змінюються зі скінченною швидкістю.

Зазначимо, що поняття „термодинамічна оборотність” та „хімічна оборотність” не збігаються. Так, змінюючи зовнішні умови (наприклад, температуру або тиск), можна досягти того, щоб процес HCl + NH₃ ⇄ NH₄Cl відбувався в прямому чи зворотному напрямі, тобто ця реакція є хімічно оборотною. Але термодинамічно цей процес необоротний, оскільки неможливо одержати один моль NH₄Cl, а потім розкласти його на вихідні компоненти так, щоб у навколишньому середовищі не відбувалося зміни температури чи тиску.

Загальний запас енергії системи називається її внутрішньою енергією. Абсолютна величина внутрішньої енергії системи U  включає в себе всі види енергії (енергію руху всіх молекул, електронів, у тому числі й електронів хімічного зв’язку, коливань атомів, внутрішньоядерну енергію), крім кінетичної і потенціальної енергії системи як єдиного цілого. Абсолютна величина внутрішньої енергії не відома, можна визначити тільки її зміну, тобто різницю між кінцевим і початковим станами системи:

∆U = U₂ – U₁. (2.1)

Величина ∆U вважається додатною, якщо внаслідок процесу внутрішня енергія збільшується, тобто U₂ > U₁.

Існує дві основні форми обміну енергією між системою та навколишнім середовищем: у вигляді теплоти або роботи.