Энергетика химических реакций

Обмен энергией между изучаемой системой и внешней средой описывают законы, которые изучает термодинамика. Применение законов термодинамики в химии позволяет решить вопрос о принципиальной возможности различных процессов, условиях их осуществления, определить степень превращения реагирующих веществ в химических реакциях и оценить их энергетику.

Системой называют вещество или совокупность  веществ, которые подвергаются теоретическому   или экспериментальному изучению.

Внешняя среда- вещества, окружающие систему.

Система называется открытой, если через границу (реальную или условную), разделяющую систему и внешнюю среду, может происходить обмен веществом и энергией, например жидкость и ее пар.

Система называется закрытой, если она может обмениваться с внешней средой энергией и не может обмениваться веществом, например газ в баллоне, твердые или жидкие вещества в изолированном сосуде.

Изолированная система не в состоянии  обмениваться с внешней средой ни веществом, ни энергией, например запаянная ампула полностью изолированная от внешней среды.

В данной главе рассматриваются только закрытые системы.

Обмен энергией между системой и внешней средой может осуществляться в различных формах: тепловая, механическая, электрическая энергия, энергия излучения могут превращаться друг в друга.

В превращениях, происходящих в ходе химических реакций, участвуют, как правило, тепловая энергия Q и механическая ( или работа А). Единица измерения энергии- джоуль ( Дж ).

Тепловая и механическая энергия – алгебраические величины. Знаки величин Q и А в термодинамике рассматриваются  по отношению к системе. Энергия, получаемая системой, обозначается знаком «+», отданная  системой – знаком «-».

Переменные величины, определяющие состояние системы, называются, параметрами состояния. Среди них в химии наиболее часто используются давление, температура, объем, состав системы. Состояние системы и происходящие в ней изменения характеризуются также с помощью функций состояния, зависящих от параметров состояния и не зависящих от пути перехода системы из одного состояния в другое. К ним относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, изобарно-изотермический потенциал и др.

Процессы, протекающие при постоянном давлении,-изобарные, при постоянном объеме – изохорные, при постоянной температуре – изотермические. Большинство химических реакций протекают в открытых сосудах, т. е. при постоянном давлении, равном атмосферному.

Внутренняя энергия, энтальпия и тепловой эффект реакции

Внутренняя энергия системы U – это ее полная энергия, состоящая из кинетической энергии (энергия поступательного, колебательного и вращательного движения) и потенциальной энергии (энергия притяжения и отталкивания) всех частиц системы, исключая  потенциальную и кинетическую энергию системы как целого.

Определить можно лишь изменение внутренней энергии ∆U=U₂-U₁, где  U₂ U₁ – внутренняя энергия системы в состоянии  2 и 1 соответственно.

Если система обменивается с внешней средой тепловой энергией Q и механической энергией ( или работой) А и при этом переходит из состояния 1 в состояние 2, то согласно первому началу термодинамики,  являющемуся следствием закона сохранения энергии, количество энергии, которое выделяется или поглощается системой в форме теплоты Q и работы А, т. е. Q+A, равно изменению полной энергии системы, т. е. ∆U, при переходе системы из одного состояния в другое:

∆U=Q+A.

Иными словами, изменение внутренней энергии ∆U системы, переходящей из состояния 1 в состояние 2, есть алгебраическая сумма всех энергий, обменивающихся с внешней средой.

Для химической реакции в общем виде aA+bB→cC+dD  тепловым эффектом ( теплотой) Q при температуре T называется тепловая энергия, которая выделяется  или поглощается при взаимодействии реагентов А и продуктов С и D; реагенты и продукты реакции находятся  при одной и той же температуре T.

Тепловой эффект реакции при постоянном объеме  и температуре Т равен Q_v, при постоянном давлении и температуре T-Q_p.

В ходе химических реакций совершается в основном работа против сил внешнего давления, которая зависит  от изменения объема системы.

Для изохорного процесса, поскольку объем системы не изменяется ( V=const ), A=0. Следовательно,

∆U=Q_v.                                             (7.1)

Тепловой эффект реакции при постоянном объеме и температуре Т соответствует изменению внутренней энергии системы в ходе реакции.

Q_v, как и U,- функция состояния системы.

Примеры реакций, протекающих при постоянном объеме,- реакции в закрытом сосуде (автоклаве), между твердыми и жидкими веществами без выделения газов, между газами, если их количество не меняется.

Для изобарных процессов A^*= -p∆V= -p(V₂-V₁), следовательно,

∆U=Q_p - p∆V.                                     (7.2)

_________________

^*  С учетом принятых в термодинамике условий знаков, работа положительна, если система ее получает(∆V<0), и отрицательна, если система совершает работу против сил внешней среды (∆V>0).

Или U₂-U₁ = Q_p – p(V₂-V₁), откуда получаем Q_p=(U₂+pV₂) – (U₁+pV₁).

Функция U+ pV, обозначенная через H, называется энтальпией. Энтальпия есть функция состояния, имеет размерность энергии. Введя обозначение  U+ pV= H, получаем

Q_p=H₂-H₁=∆H.                                  (7.3)