ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. Химические реакции протекают с выделением или с поглощением энергии

Химические реакции протекают с выделением или с поглощением энергии. Обычно эта энергия выделяется или поглощается в виде теплоты. Выделение теплоты при взаимодействии различных веществ заставляет признать, что эти вещества ещё до реакции в скрытой форме обладали определённой энергией. Такая форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических реакциях, называется внутренней энергией вещества. Внутренняя энергия вещества (U)-это полная энергия частиц, составляющих данное вещество. Она слагается из кинетической и потенциальной энергий частиц. Если внутренняя энергия системы уменьшается, то реакция протекает с выделением энергии (экзотермические реакции). Если же внутренняя энергия системы возрастает, то процесс сопровождается поглощением энергии из внешней среды (эндотермические реакции).

Количество теплоты (энергии), выделяемое или поглощаемое системой в ходе реакции при проведении её при постоянной температуре и постоянном давлении, называется тепловым эффектом.

Если в результате протекания химической реакции система поглотила количество теплоты Q и совершила работу А, то изменение внутренней энергии U определится уравнением: U=Q – A.

Если в ходе процесса не производится никакой работы, в том числе работы расширения против внешнего давления, т. е. если объём системы не изменяется, то U=Q_V, где Q_V – теплота, поглощённая системой при постоянном объёме.

В случае химической реакции, протекающей без изменения объёма системы, изменение внутренней энергии равно взятому с обратным знаком тепловому эффекту этой реакции.

Чаще всего химические реакции протекают при постоянном давлении. При этом удобно пользоваться величиной энтальпии Н, определяемой соотношением: H=U+pV. При постоянном давлении и при условии, что в ходе реакции совершается только работа расширения (А=p V): H= U+p V или U= H-p V. Учитывая, что U=Q-A получаем: H=Q_P при указанных условиях, где Q_P – теплота, поглощённая системой при постоянном давлении. В случае химической реакции изменение энтальпии равно взятому с обратным знаком тепловому эффекту реакции, проведённой при постоянном давлении. Изменение внутренней энергии или энтальпии принято относить к тому случаю, когда все исходные вещества и все продукты реакции находятся в стандартных состояниях. Стандартным состоянием вещества называется его состояние в виде чистого вещества при давлении, равном нормальному атмосферному давлению (101,325 кПа) и температуре 25⁰ С (298⁰ К).

Стандартное изменении энтальпии при химической реакции обозначается: H⁰₂₉₈.

Стандартная энтальпия реакции образования 1 моль данного вещества из простых веществ называется стандартной энтальпией образования этого вещества. Эту величину обычно выражают в кДж/моль. Следовательно, энтальпия и внутренняя энергия образования простых веществ равны 0.

Энергетические изменения, происходящие в ходе реакции, изучаются в разделе химии – термохимии.

Химические уравнения, в которых указаны изменения энтальпии (тепловые эффекты реакций) называются термохимическими уравнениями.

В основе термохимии лежит закон Г. И. Гесса: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний участвующих в реакции веществ, и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Практически важно и следствие из закона Гесса: стандартное изменение энтальпии химической реакции равно сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ. При каждом суммировании следует учитывать число молей участвующих в реакции веществ в соответствии с уравнением реакции: H⁰₂₉₈= å n_кон H⁰_{f кон} – ån_нач H⁰_fнач – тепловой эффект реакции, где

n – число молей, участвующих в реакции веществ,

H⁰_fнач – теплоты образования начальных веществ,

H⁰_{f кон} - теплоты образования конечных веществ.

Направление, в котором самопроизвольно протекает химическая реакция, определяется совместным действием двух факторов: 1) тенденцией к переходу системы в состояние с наименьшей энтальпией (в случае изобарных процессов) и 2) тенденцией к достижению наиболее вероятного состояния.

Мерой вероятности состояния системы в термодинамике считают энтропию (S). Размерность энтропии Дж/моль∙К. Энтропия возрастает при переходе вещества из кристаллического состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, при растворении кристаллов, при расширении газов, при химических взаимодействиях, приводящих к увеличению числа частиц, и прежде всего частиц в газообразном состоянии. Напротив, все процессы, в результате которых упорядоченность системы возрастает (конденсация, полимеризация, сжатие, уменьшение числа частиц), сопровождаются уменьшением энтропии. Изменение энтропии системы в результате химической реакции равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ. Суммирование ведётся так же с учётом числа молей участвующих в реакции веществ.

Критерием самопроизвольности протекания химической реакции служит энергия Гиббса: G=H-T∙S. Изменение энергии Гиббса в результате химической реакции равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ, суммирование производят с учётом числа молей, участвующих в реакции веществ.

При постоянстве температуры и давления химические реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при котором энергия Гиббса системы уменьшается ( G<0). Значения S⁰₂₉₈, H⁰₂₉₈, G⁰₂₉₈ образования некоторых веществ являются табличными данными и приведены в приложении.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: