Основы химической термодинамики
Химическая термодинамика – раздел химии, который изучает превращение энергии в химических реакциях.
Основы химической термодинамики.
Из-за того, что в различных химических веществах в химических связях накапливается различное количество энергии, при осуществлении химических реакций, энергия либо выделяется, либо поглощается. Такое количество энергии называется тепловым эффектом химической реакции.
Q > 0 (выделяется) экзотермическая реакция
Q < 0 (поглощается) эндотермическая реакция
Теплота образования химического вещества – тепловой эффект образования 1 моля соединения при нормальных условиях.
Закон Гесса.
Тепловой эффект химической реакции не зависит от ее пути, а определяется только состоянием и видом веществ, вступающих в реакцию и веществ, образующихся в реакции, и равен он разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ.
aA + bB→ cC + dD +- Q
Q=(cQ(C) + dQ(D)) – (aQ(A) + bQ(B))
Основы химической кинетики.
Химическая кинетика или кинетика химических реакций — раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.
Важным понятием химической кинетики является скорость химической реакции. Эта величина определяет, как изменяется концентрация компонентов реакции с течением времени.
Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение домножается на −1. Например, для реакции
скорость
можно выразить так:
Скорость химической реакции зависит от:
природы реагирующих веществ
концентрации реагирующих веществ
площади соприкосновения реагирующих веществ
температуры
от введения в химическую систему определенного вещества, ускоряющего (катализатор) или замедляющего (ингибитор) скорость химической реакции
давления газа и формы и материала сосуда, в котором он находится
примисей
Закон действующих масс:
Скорость химической реакции при постоянной температуре прямопропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. При этом концентрацию необходимо возвести в степени, равные количеству молей этих веществ в уравнении реакции.
Это
положение сформулировано в 1867 году
норвежскими учёными К.
Гульдбергом и П.
Вааге. Для элементарной химической
реакции:
закон
действующих масс может быть записан в
виде кинетического уравнения вида:
где 
— скорость
химической реакции, 
— константа
скорости реакции.
Уравнение
Вант-Гоффа устанавливает зависимость
скорости реакции от температуры.
где 
—
скорость реакции при температуре 
, 
—
скорость реакции при температуре 
, 
—
температурный коэффициент реакции
(если он равен 2, например, то скорость
реакции будет увеличиваться в 2 раза
при повышении температуры на 10 градусов).
Тепловой эффект химических реакций и использование химической энергии.
В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.
Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется ЗАТРАТИТЬ ЭНЕРГИЮ. Когда химическая связь образуется, энергия ВЫДЕЛЯЕТСЯ.
Вспомним, что атомы не соединялись бы между собой, если бы это не вело к "выигрышу" (то есть высвобождению) энергии. Этот выигрыш может быть большим или малым, но он обязательно есть при образовании молекул из атомов.
Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других.
Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии БОЛЬШЕ, чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты. Такие реакции называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ от латинского "экзо" - наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).
В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании.
Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется ТЕПЛОВЫМ ЭФФЕКТОМ РЕАКЦИИ.
Используется также частный случай теплового эффекта реакции - ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит для характеристики вещества, применяемого в качестве топлива. Теплоту сгорания относят к 1 молю вещества, являющегося топливом (восстановителем в реакции окисления).
В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.