Тема 9 Енергетика хімічних реакцій

Приклад 1. Які поняття найчастіше використовуються в термодинаміці (див. додаток Г).

Відповідь:

Енергія (термін грецького походження) – це здатність системи виконувати роботу.

Одиниці вимірювання енергії і роботи в системі
СІ – Джоуль (Дж).

Видів енергії є багато: світло, теплота, хімічна, ядерна і т. д. Матерія містить енергію у вигляді двох складових: кінетичну і потенціальну. Кінетична енергія матерії – це енергія на молекулярному рівні. Атоми, йони або молекули у твердому тілі коливаються, переміщуються або обертаються. Кінетична енергія залежить від маси (m) і швидкості (v) і дорівнює 1/2 mv² .

Потенціальна енергія матерії виникає як результат зміни положення одного атома відносно іншого. Розрив і виникнення нових зв’язків супроводжується зміною потенціальної енергії. Потенціальна енергія – це енергія положення системи по відношенню до центру Землі (або енергії, яку запасло тіло).

Якщо два тіла реагують, наприклад:

Ca_(тв)+I_2(тв) → Ca I_2(тв),

то зміна кінетичної енергії незначна, потенціальна енергія змінюється суттєво, так як хімічні зв’язки в продуктах реакції відрізняються від зв’язків реагентів.

Іншою характеристикою матерії є внутрішня енергія (U). Це повна енергія системи (за винятком потенціальної енергії системи в цілому), яка складається з енергії руху молекул, енергії міжмолекулярного зв’язку, енергії руху атомів у молекулах.

Характерною ознакою хімічних перетворень є зміна внутрішньої енергії реагуючих речовин і молекул, яка призводить до виділення або поглинання теплоти, електричного струму, світла та ін. видів енергії.

Наприклад:

1. Згоряння багатьох речовин (вуглецю, метану, ацетилену, сірки, фосфору) відбувається з виділенням теплоти і світла.

2. Розкладання більшості оксидів і солей (NaNO₃, KMnO₄, CaCO₃, HgO, MnO₂) – з поглинанням теплоти.

3. Під час роботи гальванічного елемента енергія хімічної реакції перетворюється в електричну і навпаки, під час електролізу, за рахунок електричного струму можна здійснити розкладання вихідних речовин (з води можна одержати кисень і водень).

4. Хімічна енергія перетворюється в механічну під час пострілу різних видів зброї.

Отже, всі хімічні реакції супроводжуються перетворенням хімічної енергії в інші форми.

Реакційна здатність речовин визначається на основі кількісних критеріїв. Вони пов’язані з двома факторами – термодинамічним і кінетичним.

Термодинамічний фактор пояснює можливість (чи неможливість) здійснення обраного процесу за певних умов, кінетичний розкриває швидкість перебігу реакції від різних умов та шляхи її перебігу (механізм, стадії).

Відповідь на питання про рушійну силу реакції і чому певні речовини взаємодіють між собою дає термодинаміка. Слово термодинаміка походить від грецьких слів “термос” (теплота) і “динамос” (сила, рух).

Термодинаміка – це наука, що вивчає перетворення енергії з однієї форми в іншу та перехід від однієї частини системи до другої під час різних процесів, досліджує межу самочинного перебігу процесів за певних умов.

Розрізняють класичну, статистичну і хімічну термодинаміку.

Класична термодинаміка займається дослідженням енергії і роботи. Проте не використовує уявлення про молекулярну будову речовин.

Статистична термодинаміка пов’язує макровластивості системи з її мікроструктурою, законами статистики (поскільки система складається із великої кількості частинок, які перебувають у хаотичному русі). Ця наука використовує математичні методи квантової теорії.

Хімічна термодинаміка вивчає перетворення енергії під час хімічних реакцій і здатність хімічних систем здійснювати корисну роботу. Знання закономірностей термодинаміки дозволяє:

• передбачити можливу взаємодію між речовинами за певних умов;
• передбачити до якої межі може відбуватися реакція перш, ніж встановиться хімічна рівновага;
• вибрати оптимальні умови проведення процесу, який забезпечує максимальний вихід потрібних продуктів;
• для розрахунку кількості енергії, яка теоретично необхідна для проведення реакції або, навпаки, повинна виділитися під час її самовільного проходження.

Термодинаміка оперує поняттями, які часто використовуються в природничих науках.

Система – це тіло або групи тіл для дослідження уявно відокремлених від середовища, що їх оточує. Залежно від поставленого завдання, системою можна обрати пробірку з розчином, заводський реактор або доменну піч; кристалик солі чи планету Земля та інші.

Ізольовані системи – це такі, що не обмінюються з іншими ні речовиною, ні енергією. Прикладом ізольованої системи з деякими наближеннями є закритий реактор з термоізоляцією.

Закриті системи – це такі, що не обмінюються з іншими системами речовиною але обмінюються енергією. Наприклад, закрита колба в якій відбувається реакція, що супроводжується розсіюванням теплоти.

Відкриті системи – ті, що обмінюються з іншими речовиною та енергією. Наприклад, відкрита колба, в якій відбувається реакція, яка супроводжується нагріванням чи охолодженням і виділенням речовини або вбиранням її з навколишнього середовища.

З погляду внутрішньої структури системи поділяються на гомогенні (однорідні) і гетерогенні (неоднорідні). У разі гетерогенних систем вводиться поняття про фази.

Фази це однорідні частинки систем відокремлені від інших граничними поверхнями поділу. Наприклад, лід - вода – пара (трифазна система), вода – лід (двофазна система).

Система, в якій відсутня газова фаза, називається конденсованою (наприклад, кристали металу в його
розплаві).

Сукупність всіх фізичних і хімічних властивостей системи характеризує її стан.

Зміна яких-небудь властивостей системи означає зміну її стану. Величини, які характеризують стан системи і можуть бути безпосередньо виміряні, називають термодинамічними параметрами стану.

Основними параметрами стану є: тиск (Р), об’єм (V),температура (Т), концентрація (С).

Математичне рівняння, яке зв’язує параметри стану, називають рівнянням стану:

PV=(m/M)RT або PV=νRT