1.3 Основи хімічної термодинаміки, поняття хімічної термодинаміки

1.3.1 Основи хімічної термодинаміки

Як відомо, молекули всіх речовин являють собою сукупність атомів тих чи інших хімічних елементів, якщо під дією певних факторів змінних структура молекул, то замість даних речовин виникає одна або більше речовин, які мають цілком відмінні властивості. Такий процес переходу одних речовин в інші називається хімічною реакцією. Хімічні реакції можуть відбуватись між речовинами, які перебувають в однакових фазах, тоді реакція називається гомогенною, а коли реагуючі речовини перебувають у різних фазах, то реакція гетерогенна. Рівняння реакції, яке виражає еквівалентне співвідношення між компонентами, називається стехіометричним рівнянням. Рівняння хімічних реакцій може бути подана в загальному вигляді:

аА+bB+…= сС+dD .

У цьому рівнянні великими буквами позначено компоненти хімічної реакції, а малими стехіометричні коефіцієнти. У кожний момент проходження хімічної реакції вихідні речовини утворюють з продуктами реакції однорідну суміш, яку можна розглядати як замкнуту термодинамічну систему. При проходженні реакції концентрація вихідних речовин зменшується, а концентрація продуктів реакції зростає. Кожному стану реакції системи відповідає певне значення концентрації речовин, які входять до складу системи, тому концентрація є додатковим параметром стану системи, і для повної характеристики системи потрібно знати не два параметри стану системи, а три. У цьому випадку в процесах зміни реагуючої системи можуть залишатись незмінними два параметри стану – об’єм і температура або тиск і температура. Саме такі системи вивчаються в хімічній термодинаміці, причому в першому випадку реакція ізохорно-ізотермічною в другому – ізобарно-ізотермічною. При цьому слід відмітити, що реакція супроводжується зміною температури реагуючої системи. Для проведення термодинамічного аналізу допускається, що вся теплота, яка виділяється відводиться безпосередньо в момент виділення, якщо реакція екзотермічна, і підводиться до системи, якщо реакція ендотермічна. Таким чином, реальні процеси замінюють ідеалізованими термічними схемами, що не суперечать положенням хімічної термодинаміки. При проходженні хімічної реакції може виконуватись робота, не пов’язана із зміною об’єму, так звана корисна робота реакції.

До хімічних реакцій може бути використано перший закон термодинаміки:

де - втрата внутрішньої енергії з врахуванням хімічної складової;

- теплота, яка виділяється в процесі;

- робота зміни об’єму;

- корисна робота реакції.

Таким чином тепло, яке виділяється при реакції, і виконання роботи відбувається за рахунок втрати внутрішньої енергії системи. При цьому теплота екзотермічної реакції додатна, а ендотермічної - від’ємна.

Якщо реакція за сталої температури відбувається таким чином, що ніяка робота, крім роботи зміни об’єму не виконується ( тобто= 0 ), то тепло, яке виділяється під час реакції буде максимальним, тоді:

(3.1)

де - тепловий ефект реакції.

Таким чином, тепловий ефект хімічної реакції – кількість теплоти, яка виділяється або поглинається за сталої температури, за умови, що корисна робота дорівнює нулю. Тепловий ефект ізохорної реакції позначається . Із рівняння (3.1) випливає, що. Таким чином, тепловий ефект ізохорної реакції дорівнює зміні внутрішньої енергії.

Тепловий ефект ізобарної реакції також можна знайти із рівняння першого закону термодинаміки:

(3.2)

де - робота зміни об’єму.

Із рівняння (3.2) знаходимо

_{Тобто тепловий ефект ізобарної реакції дорівнює втраті ентальпії.}

Вважаємо, що сумарне число кіломолей газоподібних речовин, які вступають в ізобарно-ізотермічну реакцію n₁, а число кіломолей газоподібних продуктів реакції n₂. Якщо вважати, що вихідні речовини і продукти реакції ідеальні гази, тоді

З цих рівнянь отримуємо

Таким чином, якщо реакція супроводжується збільшенням числа кіломолей, то тепловий ефект за сталого тиску буде меншим, ніж за сталого об’єму (). А в тому випадку коли в результаті реакції зменшується число кіломолей,У тому випадку, коли число кіломолей залишається незмінним ().

Отримані співвідношення між і можуть бути використані і в тому випадку, коли в реакції беруть участь тверді і рідкі речовини. У цьому випадку при знаходженні враховують тільки речовини, які перебувають у газоподібному стані.