Функции состояния системы

Функция состояния	обозначение	Характеристика функции	Роль в ХТД
Внутренняя энергия	U	складывается из кинетической и потенциальной энергии всех частиц, из которых состоит система.	Используются для определения тепловых эффектов хим. реакций
Энтальпия	H	полное теплосодержание системы: H=U+РV
Энтропия	S	мера беспорядка. См. пособие тема 5, с. 58-61)	Используются для определения направления протекания хим. реакций
Энергия Гиббса	G	(G = H - TS) учитывает изменения как энтальпии, так и энтропии системы в целом.

Тепловые эффекты хим. Реакций

Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, которая выделяется или поглощается в процессе ее протекания.

Реакции, в которых теплота выделяется, называются экзотермическими. Реакции, в которых теплота поглощается, – эндотермическими.

Тепловые эффекты реакций определяют экспериментально или расчетным путем с помощью закона Гесса и следствий из этого закона (см. пособие. Тема 5). Тепловые эффекты реакций обычно выражают в виде изменения энтальпии.

Направление реакции

Для определения возможности и направления протекания химической реакции рассчитывают, как изменяется энтропия или энергия Гиббса.

В изолированных системах самопроизвольно процессы идут в направлении увеличения энтропии (S  0).

В закрытых или открытых системах самопроизвольно идут процессы в направлении уменьшения энергии Гиббса (G  0).

Управление обратимыми химическими реакциями

Обратимыми называются реакции, которые могут протекать в двух противоположных направлениях и ни в одном направлении не идут до конца.

Через определенный промежуток времени после начала обратимой реакции наступает равновесие, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.

При изменении внешних условий равновесие смещается. Равновесие технологических процессов смещают в сторону продуктов реакции. Для смещения равновесия используют принцип Ле Шателье (1885).

Формулировка принципа Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону ослабления этого воздействия.

Равновесие смещают, изменяя температуру, давление или концентрации реагирующих веществ.

Изменение концентрации (С). При увеличении концентрации исходных веществ увеличивается выход продуктов реакции.

Изменение температуры (Т). При повышение температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры равновесие смещается в сторону экзотермической реакции.

Изменение давления (Р). При повышении давления равновесие смещается в сторону уменьшения числа молей газообразных компонентов и наоборот.

Кинетические методы управления химическими процессами

Химическая кинетика изучает скорости хим. реакций и факторы, влияющие на них.

Скорость хим. реакции определяется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ (энергии активации реакции) и условий протекания реакции (концентрации, температуры, давления, катализатора).

Скорость реакции и энергия активации

Каждая реакция характеризуется энергией активации или энергетическим барьером. Энергией активации называется та минимальная энергия, которой должна обладать молекула или пара реагирующих молекул, чтобы вступить в химическую реакцию.

Чем больше энергия активации, тем меньше скорость реакции.

Энергия активации играет важную роль в жизни нашей планеты.

Если бы не было такого сдерживающего фактора как энергия активации, то кислород воздуха немедленно бы прореагировал со всем, что может гореть или окисляться. Органические соединения превратились бы в углекислый газ и воду, а если кислорода бы не хватило на все органические соединения, оставшиеся распались бы на более простые, т.к. это очень выгодно из-за уменьшения энергии и увеличения энтропии. Т.о. можно сказать, что окружающий нас мир, включая нас самих, может существовать длительное время благодаря энергии активации.

Скорость реакции и концентрация

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующих масс:

«При постоянной т-ре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ»

Скорость реакции и температура

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

при повышении температуры на 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2–4 раза.

Скорость реакции и катализатор

Катализаторами называются вещества, которые изменяют скорость реакции, но не расходуются в процессе реакции.

Процесс изменения скорости реакции с помощью катализаторов называется катализом.

Повышение скорости реакции при участи катализаторов заключается в снижении суммарной энергии активации протекающего процесса.

В настоящее время почти вся химическая промышленность основана на катализаторах.

Варианты катализа

1. Гомогенный, когда реагенты и катализатор находятся в одном и том же агрегатном состоянии, например, жидком.

2. Гетерогенный катализ, когда реагенты и катализатор находятся в разных агрегатных состоянии.

3. Автокатализ, когда катализатором являются продукты реакции.

4. Ферментативный катализ, когда катализаторами являются ферменты -биологические катализаторы белковой природы.

Закономерности действия катализатора

1. Катализатор действует специфично: каждый катализатор ускоряет только одну реакцию или группу однотипных реакция.

2. Катализатор действует селективно: катализаторы могут ускорять одну из возможных при данных условиях параллельных реакций.

3. Катализатор ускоряет только термодинамически разрешенные реакции.

4. Катализатор ускоряет и прямую и обратную реакции, если реакция обратима.