химия+ информатика / Тема 5 Термодинамика

▼возможность и направление химических и физикохимических процессов

▼энергетические эффекты и энергозатраты

▼скорость получения и выход продуктов реакции

▼влияние на скорость и выход продуктов

▼предупреждение нежелательных реакций

Изучает энергетические эффекты химических реакций, устанавливает возможность и пределы самопроизвольного (без затраты работы) их протекания.

Свойства системы рассматриваются при ее равновесном состоянии

Равновесное состояние системы:

все параметры состояния постоянны во времени и во всех точках системы

ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

ТВЕРДОЕ – частицы сближены, прочные связи,

отсутствие движения, упорядоченность структуры; ЖИДКОЕ – частицы занимают основную часть объема,

соприкасаются, притягиваются друг к другу, некоторая упорядоченность (ближний порядок) ГАЗООБРАЗНОЕ – частицы находятся на

значительном расстоянии, занимают малую долю объема, практически не взаимодействуют (при невысоких Р и Т), структура неупорядочена.

ХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

совокупность веществ или частиц мысленно или фактически обособленных от окружающей среды

СИСТЕМА

(в зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой)

СИСТЕМА

(по агрегатному состоянию)

ФАЗА - часть системы однородная по составу и

свойствам и отделенная от других частей поверхностью раздела

Параметры термодинамической системы

(совокупность физических и химических величин, характеризующих состояние системы)

●температура (Т),

●давление (Р),

●объем (V),

●концентрация (с),

●плотность ( ) и т.д.

Термодинамический процесс:

переход системы из одного состояния в другое, характеризующийся изменением во времени хотя бы одного термодинамического параметра

Химическая реакция:

термодинамический процесс, при протекании которого наблюдается изменение химического состава системы

Название термодинамических процессов

изотермические - Т = const

адиабатические - нет обмена теплом с окр. средой.

Химические реакции наиболее часто протекают:

* в изобарно-изотермических условиях

(р=const, Т=const) (открытые системы);

*в изохорно-изотермических условиях (V=const,

Т=const) (закрытые сосуды).

Функции состояния системы

(х а р а к т е р и с т и ч е с к и е ф у н к ц и и) –

выражают термодинамические свойства системы. Их особенность: независимость от способа достижения конечного состояния системы (пути перехода из одного состояния в другое)

▓Внутренняя энергия U

▓Энтальпия H

▓Энтропия S

▓Энергия Гиббса G

▓Энергия Гельмгольца F

Первое начало термодинамики

переход системы из состояния I в состояние II:

-cистема I производит работу (или над нею совершается работа) – W;

-принимает участие в теплообмене с окружающей средой (выделяет или поглощает теплоту) - Q.

По закону сохранения энергии:

Q – количество сообщенной системе теплоты;

U = U2 – U1 – приращение внутренней энергии; W – суммарная работа, совершенная системой.

Внутренняя энергия Совокупность всех видов энергии частиц в системе

(энергия движения и взаимодействия молекул, атомов, ядер и других частиц, внутриядерная и другие виды энергии), кроме кинетической энергии движения системы, как целого, и потенциальной энергии ее положения.

U - функция состояния системы

Q – не функция состояния системы

Пусть - только р V- работа, совершаемая системой против сил внешнего давления (работа расширения)

Для бесконечно малых элементарных процессов уравнение принимает вид:

Уравнения (1 и 2) выражают первый закон

термодинамики: теплота, подведенная к системе, расходуется на приращение внутренней энергии системы и на работу системы над окружающей средой

Это форма выражения закона сохранения энергии: энергия не может ни создаваться, ни исчезать, но может превращаться из одной формы в другую

а) изохорный процесс – V = const, тогда dV = 0 и

работа расширения системы W = рdV = 0

первый закон термодинамики :

QV = dU и QV = U2 – U1 = U

при данных условиях - QV - функция состояния, т.е. не зависит от пути процесса

б) изобарный процесс - р = const

Qp = U + р V

Т.к. U= U2 – U1, V = V2 – V1, то Qp = U2 – U1 +

рV2- – рV1 = (U2+ рV2) – (U1 + рV1) Qp = H2 – H1 = H

H = U + рV - энтальпия

Энтальпия – функция состояния (теплосодержание,

энергосодержание, включая внутреннюю энергию)

Для идеальных газов: p∆V = ∆νRT,

∆ν – разница между числом молей газообразных продуктов и исходных веществ.

Термохимия - часть термодинамики, изучающая тепловые эффекты химических процессов.

Термохимические уравнения - химические

уравнения реакций, в которых указаны агрегатные состояния веществ и тепловые эффекты

СН4(г) + 2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(ж) + r H

Тепловой эффект химической реакции – это

изменение энергии системы при протекании реакции, при условии, что система не совершает другой работы, кроме работы расширения.

▼изохорические условия (V = const)- QV = U

▼изобарические условия - тепловой эффект равен

Qp = H2 – H1 = r H - энтальпия реакции

Если вещества находятся в стандартном состоянии –

стандартная энтальпия реакции r H 0

Условия стандартного состояния веществ

стандартное состояние - не зависит от

Тепловой эффект реакции зависит от температуры

указывают температуру rНт или rНот, например rН298 или rНо298

Закон Гесса (1841 г. русский ученый Г.И.Гесс)

Тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных и конечных веществ, но не зависит от пути реакции

1

А В

2 3

С

rНт (1) = rНт (2) + rНт(3)

Энтальпия (теплота) образования вещества

fН298

Тепловой эффект образования 1 моль вещества из простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 101 кПа

fН простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 101 кПа принимают равной 0

( О2-газ, Br2-жидкость, Р-белый , Snбелое, Sромб.)

в кислороде до высших оксидов, устойчивых в стандартном состоянии.

Следствие из закона Гесса:

энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов

rН0 = ∑νi fНi0 продуктов - ∑νj fНj 0исх веществ

Зависимость rН0 от температуры - уравнение Кирхгофа:

∆rСpо = a + bT +Δc′T-2+ΔcT2 -

изменение стандартной теплоемкости системы в ходе реакции в изобарном процессе.

а, b, c, c′ - коэффициенты уравнения температурной зависимости теплоемкости (табулированы).

Влияние температуры на rН:

∆rН

∆rСp 0 ∆rСp 0

∆rСp=0

Т