Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Практикум по физической и коллоидной химии

Минск

МГЭУ им. А.Д. Сахарова

Авторы:

доцент кафедры биохимии и биофизики, кандидат биологических наук К.Я. Буланова,

доцент кафедры биохимии и биофизики, кандидат химических наук Е.И. Тарун,

преподаватель кафедры биохимии и биофизики, Е.А. Докучаева,

профессор кафедры биохимии и биофизики, доктор химических наук П.А. Киселев,

зав. кафедрой биохимии и биофизики, кандидат биологических наук С.Б. Бокуть.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой экологической медицины и радиобиологии УО «Международный государственный экологический университет имени А.Д.Сахарова,

кандидат биологических наук, доцент В.Д. Свирид,

Заведующий лабораторией химии липидов ГНУ «Институт биоорганической химии НАН Беларуси», доктор химических наук М.А. Кисель

Рекомендовано научно-методическим советом Учреждения образования «Международный государственный экологический университет имени А.Д. Сахарова», протокол № от 2010 г.

Буланова К.Я., Тарун Е.И., Докучаева Е.А., Киселев П.А., Бокуть С.Б.

Практикум по физической и коллоидной химии. / К.Я. Буланова, Е.И. Тарун, П.А., Докучаева Е.А., Киселев, С.Б. Бокуть – Мн., 2010. – с.

Практикум содержит учебно-методические материалы для проведения лабораторных работ по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» со студентами 2-го курса факультетов ЭМ и МОС. Каждая лабораторная работа включает теоретическую часть, вопросы для усвоения основных положений конкретной работы, список рекомендуемой литературы для детального изучения темы лабораторной работы, перечень используемых в лабораторной работе приборов, химической посуды, материалов и реактивов, описание методики проведения эксперимента. В теоретическую часть включены общие сведения об основах термодинамики, понятия о равновесных химических процессах и подходах к их характеристике, элементах электролитической диссоциации, основах химической и ферментативной кинетики и абсорбционной спектроскопии.

Соответствует учебной программе курса «Физическая и коллоидная химия» для студентов МГЭУ им. А.Д. Сахарова.

Содержание

Лабораторная работа №1 Энергетика химических реакций.
Лабораторная работа №2 Равновесие химических реакций.
Лабораторная работа №3 Влияние концентрации сульфита натрия на скорость реакции окисления сульфита йодатом калия в кислой среде.
Лабораторная работа №4 Изучение кинетики реакции окисления J^¯-ионов пероксидом водорода в кислой среде.
Лабораторная работа №5 Определение концентрации вещества по абсолютному спектру поглощения.
Лабораторная работа №6 Влияние додецилсульфата натрия в различных концентрациях на процесс окисления гемоглобина в метгемоглобин.

Лабораторная работа № 1

Тема: Цель работы:

Энергетика химических реакций Определение теплоты химической реакции (на примере реакции нейтрализации). Проведение термохимических расчетов с использованием закона Гесса

Оборудование и материалы:

· Калориметр, состоящий из калориметрического стакана, помещенного в термоизоляционный стакан, с отверстием для воронки и термометра;

· Весы;

· Цилиндры мерные на 50-100 мл;

· Воронка стеклянная;

· Термометр;

· Палочка стеклянная.

Реактивы:

· Раствор NaOH (1 M);

· Раствор HCl (1 M).

Теоретическая часть

Термодинамика

Термодинамика – наука о теплоте и ее превращениях. Первый закон термодинамики непосредственно связан с законом сохранения энергии. Он позволяет рассчитать тепловые балансы различных процессов, в том числе и химических реакций.

Существует несколько формулировок первого закона термодинамики. Одна из них звучит следующим образом: энергия не создается и не уничтожается. Возможны лишь превращения энергии из одного вида в другой в строго эквивалентных количествах. Из этой формулировки можно сделать вывод о том, что вечный двигатель, который совершал бы работу без затрата энергии, невозможен.

Часто используется еще одна формулировка первого закона термодинамики: внутренняя энергия изолированной системы есть величина постоянная.

Если данной системе передается некоторое количество энергии в форме тепла Q, которое идет только на приращение внутренней энергии системы ΔU и на совершение системой работы W, то, согласно первому закону термодинамики

Q = ΔU + W,

для бесконечно малых изменений

δQ = dU + δW.

ΔU и dU не зависят от пути перехода системы из начального состояния в конечное, т.е. внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Если система совершает работу W только против внешнего давления, то

W = PΔV

или для элементарного процесса

δW = PdV

Математическое выражение первого закона термодинамики в этом случае имеет вид:

Q = ΔU + PdV

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Для изохорного процесса (V = const) pΔV = 0, следовательно

Q_V =ΔU

Энергия, сообщенная системе в форме теплоты, идет только на приращение внутренней энергии системы.

Для изобарного процесса (p = const)

Q_p = ΔU + pΔV

Q_p = (U₂ + pV₂) - (U₁ + pV₁)

H = U + pV

Q_p = ΔH

Энергия, сообщенная системе в форме теплоты, идет только на приращение энтальпии ΔH.

Для изотермического процесса (T = const) ΔU=0, следовательно

Q_T = pΔV

Энергия, сообщенная системе в форме теплоты, превращается в работу расширения. Из уравнения состояния идеального газа

p =——

Если подставить это значение p в выражение для Q_T и проинтегрировать, то получим

V₂ p₁ C₁

Q_T = RTln — = RTln — = RTln —

V₁ p₂ C₂

Для адиабатного процесса (система не обменивается энергией с окружающей средой) Q=0, следовательно

A =- ΔU

Работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии системы.

Закон Гесса

Химические реакции обычно сопровождаются поглощением или выделением тепла. Реакции с выделением тепла называются экзотермическими, реакции с поглощением тепла – эндотермическими.

Русский ученый Г.М. Гесс установил закон: теплота химической реакции, протекающей при постоянном объеме или постоянном давлении, определяется только природой исходных веществ и продуктов и не зависит от числа и последовательности промежуточных стадий при условии, что теплоты измерены при одинаковых температурах.

Закон Гесса позволяет рассчитать теплоты химических реакций, для которых они не могут быть определены экспериментально или это очень сложно сделать. Для этого решают систему термохимических уравнений. Термохимическое уравнение – химическое уравнение, в котором указан тепловой эффект реакции.