Лекция 7

Тема: ЭНЕРГЕТИКА ХМИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОХИМИИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Цель: Ознакомить студентов с законами термодинамики и их применениями в биологических системах.

1.Тепловой эффект и изменение энтальпии реакции. Закон Гесса.

2.Изменение энтропии в химическом процессе. Энергия Гиббса

1.Тепловой эффект и изменение энтальпии реакции.

Закон Гесса

При протекании любой реакции происходят энергетические изменения или изменения теплового эффекта. В одном случае теплота выделяется, в другом – поглощается. Обычно тепловой эффект химической реакции рассчитывается на 1 моль образовавшегося вещества. Реакция, протекающая с выделением тепла, называется экзотермической, с поглощением – эндотермической. Количество выделившегося или поглотившегося тепла зависит только от относительного запаса энергии продуктов реакции и исходных веществ. Это значит, что подводимое тепло к системе расходуется на изменение внутренней энергии и на работу против сил, действующих на систему. Тепловой эффект любой реакции при постоянном давлении Qp расходуется на изменение внутренней энергии системы:

Qp = (U₁ – U₂) + A,

где U₂– внутренняя энергия продуктов реакции;

U₁ – внутренняя энергия исходных веществ;

А – работа, совершаемая против сил, действующих на систему.

Qp = ∆U + A – закон сохранения энергии (І закон термодинамики)

При постоянном давлении Р (изобарический процесс) работа выражается произведением давления Р на разницу объема взаимодействующих веществ :

А = Р∆V = Р(V₂ – V₁)

Qp = (U₁ – U₂) + Р(V₂ – V₁)

Qp = (U₂ + Р V₂ ) - (U₁ + РV₁)

Сумма U + Р V = Н - называется энтальпией (теплосодержанием системы).

Тепловой эффект химической реакции представляет собой изменение энтальпии системы:

Qp = (U₂ + Р V₂ ) - (U₁ + РV₁) = ∆Н

Т.о. тепловой эффект реакции это величина обратная энтальпии.

Qp = Н₂ - Н₁ = ∆Н

Энтальпия характеризует внутреннюю энергию расширенной системы.

Если энтальпия продуктов реакции меньше энтальпии исходных веществ, то ∆Н<0 – экзотермическая реакция (Н_прод<Н_исх.в.).

Если энтальпия продуктов реакции больше энтальпии исходных веществ, то ∆Н>0 – экзотермическая реакция (Н_прод>Н_исх.в).

Самопроизвольно реакции идут в направлении уменьшения энтальпии. Изменение энтальпии для 1 моль вещества называется энтальпией образования ∆Н_f.

Изменение энтальпии при 0,1 МПа (1 атм) и 25°С (298 К) называется стандартной энтальпией образования ∆Н_f²⁹⁸ (∆Н_f⁰), это табличное значение.

При расчетах изменения энтальпии необходимо обращать внимание на агрегатное состояние веществ.

Н_2(Г) + 1/2О_2(Г) ↔ Н₂О_(Г) ∆Н = -57800 ккал;

Н_2(Г) + 1/2О_2(Г) ↔ Н₂О_(Ж) ∆Н = -68320 ккал.

Если в реакции протекают только энергетические изменения, то направление реакции подчиняется закону Гесса: изменение энтальпии зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути перехода из одного состояния в другое. Закон Гесса является проявлением І закона термодинамики:

∆Н = ∑∆Н_прод - ∑∆Н_исх.в.

Пример: рассчитать изменение энтальпии в реакции:

ВаО_(Т) + СО_2(Г) → ВаСО_3(Т)

∆Н_f⁰(ВаО_(Т)) = -193000 ккал

∆Н_f⁰(СО_2(Г)) = -94000 ккал

∆Н_f⁰(ВаСО_3(Т)) = -290000 ккал

∆Н⁰ = Н_ВаСО3 - (Н_ВаО + Н_СО2) = -290000 – (-193000 – 94000) =

= -3000 ккал

Т.о. с точки зрения энтальпийного фактора рассматриваемая реакция может протекать самопроизвольно слева направо.

Зкон Гесса позволяет рассчитать изменение энтальпии таких процессов, которые нельзя определить экспериментально. Так до настоящего времени не определено изменение энтальпии превращения алмаза в графит.