Тема 2. Общие закономерности химических процессов

2.1. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

Содержание материала раздела для самостоятельного изучения

Физическая сущность энергетических эффектов химических реакций. Внутренняя энергия и энтальпия. Термохимические законы. Энтальпия обра-

зования. Термохимические расчёты.

Понятие об энтропии. Изменение энтропии при химических процессах и фазовых переходах. Энергия Гиббса. Направленность химических процессов.

Литература: [1 – гл.5, §§ 5.1…5.4]; [2 – гл.І,ІІ §§ 1.1…1.4, 2.1…2.3]; [3 – гл.VІ, §§ 55,56,66…68].

Основные теоретические положения

Термодинамика изучает энергетические эффекты химических реакций, направление их самопроизвольного протекания. Термодинамические свойства системы наиболее часто выражаются такими характеристическими функциями как внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S и энергия Гиббса G. Как правило, при химических реакциях энергия выделяется или поглощается в виде теплота. Реакция, в ходе которой теплота поглощается, называется эндотермической (ΔH > 0). Если в результате реакции тепло выделяется, то реакция называется экзотермической (ΔH < 0). Основной закон термохимии – закон Г.И.Гесса: тепловой эффект реакции не зависит от пути реакции, а зависит от природы и состояния исходных веществ и продуктов реакции. Закон Гесса строго соблюдается для процессов, протекающих в изобарно- и изохорно-изотермических условиях, он позволяет проводить термохимические расчеты химических процессов. Следствие из закона Гесса: тепловой эффект (энтальпия) реакции равен сумме энтальтий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Тепловой эффект реакции аА + вВ → сС + dD,

протекающей в стандартных условиях, рассчитывается по уравнению

ΔН⁰_реак. =(с∙ΔН⁰_обр.С +d∙ΔН⁰_обр.D) – (а∙ΔН⁰_обр.А + в∙ΔН⁰_обр.В ),

где Δ Н⁰_реак. - тепловой эффект реакции при стандартных условиях;

ΔН⁰_обр. - стандартные энтальпии образования веществ А,В,С,D, участвующих в реакции;

а, в, с, d - стехиометрические коэффициенты.

Стандартной энтальпией образования (ΔН⁰_обр.) называют тепловой эффект образования 1 моль сложного вещества из простых в стандартных условиях.

В термодинамике стандартные условия – температура 298К, давление 104 кПа. Стандартные энтальпии образования приведены в таблице 3.1.1

Процессы, которые протекают без затраты работы из вне, называются самопроизвольными.

В изолированных системах самопроизвольно идут процессы, которые сопровождаются увеличением энтропии (ΔS > 0). Изолированными называются системы, которые с окружающей средой не обмениваются ни энергией, ни

Таблица 2.1.1

Термодинамические характеристики некоторых веществ

при температуре 298 К и давлении 101 кПа

Вещество	ΔH0обр., кДж/моль	S0, Дж/моль∙К	ΔG0, кДж/моль
Al2O3 (кр.)	-1675,0	50,9	-1582,6
BaSO4(кр.)	-1195,0	90.0	-1358,3
CO (г.)	-110,5	197,4	-137,8
CO2 (г.)	-393,5	213,6	-394,4
CaO (кр.)	-635,1	39,7	-604,2
Ca(OH)2 (кр.)	-986,2	83,4	-896,8
CaCl2 (кр.)	-785,8	113,8	-753,1
CaSO4 (кр.)	-1432,7	106,7	-1320,3
CaSiO3 (кр.)	-1584,1	82,0	-1501,1
CaCO3 (кр.)	-1206,0	92,9	-1128,8
CaSO4∙0,5H2O (кр.)	-1575,2	-	-1435,2
CaSO4∙2H2O (кр.)	-2021,1	-	-1795,7
CaCO3∙MgCO3 (кр)	-2326,3	-	-2152,7
2CaO∙SiO2 (кр.)	-2312,6	-	-
3CaO∙Al2O3 (кр.)	-3592,9	-	-
Fe (кр.)	0	27,2	-
FeO (кр.)	-264,7	58,8	-245,3
Fe2O3 (кр.)	-821,3	89,9	-743,8
Fe3O4 (кр.)	-1117,7	151,6	-1016,4
H2 (г.)	0	130,6	0
H2O (ж.)	-285,8	69,9	-237,4
MgO (кр.)	-601,2	26,9	-569,5
Mg(OH)2 (кр.)	-924,7	63,1	-837,1
MgCl2 (кр.)	-641,8	89,5	-594,7
O2 (г.)	0	205,0	0
SO2 (г.)	-296,9	248,1	-301,6
SiO2 (кр.)	-859,3	42,1	-856,7
Н2О (г.)	-241,8	188,7	-228,8

веществом. При проведении процесса в стандартных условиях энтропия рассчитывается по уравнению

ΔS⁰_реак. = Σ ν∙ S⁰_{прод.реак.} - Σ ν∙ S⁰_исх.в-в.

Критерием самопроизвольности протекания процесса в неизовированной системе в изобарно- изотермических условиях является энергия Гиббса (G). Изменение энергии Гиббса ( ΔG⁰ ) в ходе процесса в стандартных условиях рассчитывается по формуле

Δ G⁰_реак. =ΔH⁰_реак. – T⁰ ∙Δ S⁰_реак.

Если ΔG_реак.< 0, то процесс протекает самопроизвольно;ΔG_реак.> 0 - самопроизвольно процесс протекать не может; ΔG_реак.= 0 – система находится в состоянии термодинамического равновесия.