Osn-him_term
.pdfА.В. Погребняк
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
И ТЕРМОХИМИИ
ГБОУ ВПО «Пятигорская государственная фармацевтическая академия» Минздравсоцразвития России
Кафедра физической и коллоидной химии
А.В. Погребняк
ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ и ТЕРМОХИМИИ
Учебное пособие по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» С2.Б.5. («Физическая
химия») для самоподготовки студентов II курса (IV семестр) очного отделения
Пятигорск 2011
3
УДК 544.3(075.8)
ББК 35.66 73 П43
Рецензент: д.фармац.н., проф. Компанцев В.А.
А.В. Погребняк
П43 Основы химической термодинамики и термохимии: учебное пособие по физической химии для самоподготовки студентов 2курса / А.В. Погребняк.- Пятигорск: Пятигорская ГФА, 2011. - 52с.
Учебное пособие составлено в соответствии с программой по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтических ВУЗов (факультетов) – Москва: ГОУ ВУН МЦ МЗ РФ от 2002 г. и Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 060301. Пособие содержит сведения по основным теоретическим разделам химической термодинамики и термохимии: начала термодинамики, понятие об энтропии, тепловые эффекты химических реакций, калориметрические измерения. В него включены вопросы для самоконтроля, типовые задачи с решениями и задачи для самостоятельного решения, контроль приобретенных навыков термохимических расчетов. Пособие предназначено для помощи студентам второго курса очного отделения при подготовке к сдаче зачетов по лабораторному практикуму, семинаров, тестового контроля, курсовых экзаменов.
УДК 544.3(075.8)
ББК 35.66 73
УТВЕРЖДЕНО на заседании ЭМС Пятигорской ГФА
«__» __________2011 г.
Проф._______________ В.В.Гацан
©Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2011
- 5 -
5
- 6 -
Оглавление
Знания, умения, навыки, которые должен приобрести студент |
......................................... 7 |
Условные обозначения и физико-химические константы .................................................. |
8 |
Введение....................................................................................................................................... |
10 |
Основные понятия химической термодинамики ...................................................................... |
11 |
Изобарный, изохорный и изотермический процессы ......................................................... |
12 |
Термодинамические параметры ............................................................................................. |
13 |
Функции состояния ................................................................................................................... |
17 |
Энтальпия.................................................................................................................................... |
17 |
Теплота и работа ........................................................................................................................ |
18 |
Уравнение состояния идеального газа .................................................................................. |
18 |
Полная энергия системы, внутренняя энергия.......................................................................... |
19 |
Первое начало термодинамики............................................................................................... |
20 |
Второе начало термодинамики ............................................................................................... |
21 |
Третье начало термодинамики ............................................................................................... |
24 |
Энтропия...................................................................................................................................... |
24 |
Константа Больцмана .................................................................................................................. |
26 |
Газовая постоянная ...................................................................................................................... |
26 |
Термодинамическая вероятность........................................................................................... |
27 |
Термохимия................................................................................................................................. |
30 |
Стандартное состояние ............................................................................................................. |
30 |
Теплота образования ................................................................................................................. |
31 |
Теплота сгорания ....................................................................................................................... |
31 |
Теплота растворения................................................................................................................. |
31 |
Уравнение Кирхгофа ................................................................................................................. |
36 |
Энергия Гиббса ............................................................................................................................ |
39 |
Энергия Гельмгольца ............................................................................................................... |
40 |
Калориметрические измерения............................................................................................... |
45 |
Дополнительные примеры решения задач ........................................................................... |
47 |
Задачи и упражнения для самостоятельного решения ...................................................... |
48 |
Справочные данные .................................................................................................................. |
53 |
Вопросы для самоконтроля по теме....................................................................................... |
52 |
Литература .................................................................................................................................. |
53 |
6
- 7 -
Примерная учебно-целевая программа раздела
Термодинамическая система и окружающая среда. Изолированные,
открытые и закрытые системы. Термодинамические параметры. Уравнение состояния. Внутренняя энергия и энтальпия. Теплота и работа. Функции состояния, функции процесса. Равновесные и неравновесные, обратимые и необратимые процессы. Закон сохранения полной энергии. Формулировки первого начала термодинамики для изолированной, адиабатически изолированной, закрытой и открытой систем. Работа расширения идеального газа в изобарическом, изохорическом, изотермическом и адиабатическом процессах. Закон Гесса. Стандартные теплоты образования, сгорания и растворения. Расчет стандартной теплоты химической реакции по стандартным теплотам образования и сгорания веществ. Теплоемкость вещества. Влияние температуры на теплоемкость и тепловой эффект химической реакции. Закон Кирхгофа. Общие принципы калориметрии. Второе начало термодинамики.
Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Формулировки второго начала. Энтропия – функция состояния системы. Принцип возрастания энтропии. Статистическая интерпретация. Формула Больцмана. Вычисление изменения энтропии в изобарических, изохорических и изотермических процессах с идеальным газом. Изменение энтропии при фазовых превращениях. Постулат Планка. Термодинамические потенциалы. Энергия Гиббса и Гельмгольца. Максимальная полезная работа. Уравнение Гиббса – Гельмгольца. Условия термодинамического равновесия и самопроизвольного протекания процесса.
Знания, умения, навыки, которые должен приобрести студент
Студент должен знать: основные законы термодинамики, закон Гесса и его следствия; виды тепловых эффектов при химических реакциях и растворении; связь величины и знака теплового эффекта с химическим строением и кристаллической структурой веществ; экспериментальные и
7
- 8 -
расчетные способы определения тепловых эффектов; устройство и принцип работы калориметра.
Студент должен уметь: собирать простейшую калориметрическую установку, определять еѐ тепловое значение и проводить термохимические измерения; графически определять изменение температуры в ходе процесса;
рассчитывать тепловой эффект растворения, теплоту гидратации (сольватации),
теплоту нейтрализации.
Студент должен приобрести или закрепить навыки: приготовления и отмеривания растворов; измерения температуры; табулирования данных,
построения и анализа графиков; использования справочной литературы.
Условные обозначения и физико-химические константы
Обозначение |
Название величины |
Размерность / Значение |
|
|
|
|
Температура |
K |
|
|
|
|
Давление |
Па |
|
|
|
|
Объѐм |
м³ |
|
|
|
|
Масса |
кг |
|
|
|
M |
Молярная масса |
кг/моль |
|
|
|
|
Постоянная Авогадро |
6.022×1023 моль-1 |
|
Постоянная Больцмана |
1.381×10−23 Дж/К |
|
|
|
|
Газовая постоянная |
8.314 Дж/(моль К) |
|
|
|
|
Внутренняя энергия |
Дж/моль |
|
|
|
|
Энтропия |
Дж/(моль К) |
|
|
|
H |
Энтальпия |
Дж/моль |
|
|
|
A |
Свободная энергия (энергия Гельмгольца) |
Дж/моль |
|
|
|
G |
Свободная энтальпия (энергия Гиббса) |
Дж/моль |
|
|
|
W |
Работа |
Дж |
|
|
|
|
Количество теплоты |
Дж |
|
|
|
|
Молярная теплоѐмкость газа при постоянном |
Дж/(моль К) |
|
давлении |
|
|
|
|
|
|
|
|
Молярная теплоѐмкость газа при постоянном |
Дж/(моль К) |
|
|
|
8
- 9 -
объѐме
9
- 10 -
Введение
Большинство физико-химических процессов фармацевтического производства сопровождаются выделением или поглощением тепловой энергии, поэтому знание закономерностей переноса и особенностей распределения тепловой энергии особенно важны для осуществления контроля над операциями, сопровождающими получение лекарственных препаратов.
В более общем случае задача по описанию характера протекания и динамики реакций является основной задачей медицинской химии, поскольку успешное ее решение позволяет предсказать и описать процесс получения лекарств, а также найти оптимальные условия его проведения. Все это необходимо для получения новых биологически активных веществ,
используемых в медицинских целях.
Следует отметить, что в термодинамике принят ряд последовательных приближений, которые более не встречаются ни в одной научной дисциплине.
Главное из этих приближений - изучение лишь начального и конечного состояния физико-химического процесса (в частности, исходных веществ и продуктов химической реакции), минуя анализ самого процесса. Это выражает основную методологию химической термодинамики.
Обобщая можно сказать, что термодинамика изучает лишь общие законы протекания физико-химических процессов. Она не даѐт никакой информации о внутреннем механизме физико-химического процесса, однако он позволяет получить важнейшие данные для практического использования, а именно:
1.Получить заключение о самой возможности протекания процесса;
2.Получить сведения о факторах, смещающих ход процесса в желательном направлении.
Данное пособие посвящено краткому описанию важнейших законов и
принципов термодинамики.
10