Общие законы протекания реаций
Термодинамика ? наука об энергии, ее формах и превращениях. Термодинамика изучает превращение энергии в химических реакциях. Открытая система обменивается с окружающей средой, как веществом, так и энергией. Закрытая система может обмениваться энергией, но не веществом. Изолированная система не может обмениваться ни энергией, ни веществом. Энергия? это мера способности совершать работу. Размерность в СИ [Дж]. Формы существования энергии: химическая, электрическая, механическая, ядерная, солнечная. Виды энергии: кинетическая ? энергия, связанная с движением тела. Зависит от массы тела и скорости. Ек=1/2×mV2. Кинетическая энергия обусловлена механическим движением частиц: вращательным, поступательным, колебательным. Потенциальная энергия ? энергия запасенная телом. Потенциальная обусловлена электростатическими силами притяжения между частицами и внутри самих частиц. Работа ? форма передачи энергии. Система выполняет работу, если действует с некоторой силой, направленной на преодоление сопротивления. Работа связана с перемещением частиц, против действия какой-либо силы. Например работа расширения А= -PDV . Теплота ? количество энергии, вызываемое разностью температур между системой и ее окружением, или одной системой и другой. q ~mD×T. Химическая термодинамика изучает превращения энергии в химических реакциях и способность систем выполнять полезную работу. Первый закон термодинамики ? энергия не создается и не уничтожается, но может превращаться из одной формы в другую.
Термохимия ? раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций. Реакции, протекающие в химических системах можно классифицировать по следующим признакам:
1. По направлению: а) необратимые реакции (идут до конца) Zn+2HCl?ZnCl2+H2?. б) обратимые ? реакции, идущие в прямом и обратном направлении 2NO2N2O4.
2.По агрегатному состоянию веществ: а) гомогенные ? реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (нет поверхности раздела между веществами в системе (идеальные растворы, воздух) б) гетерогенные (неоднородные) - вещества находятся в разных агрегатных состояниях (металл +кислота; порошок железа и оксида железа; кислород и медная проволока). Между веществами в системе есть граница раздела.
3. По энергетическому признаку: а)реакции, идущие с выделением тепла DН<0 - экзотермические (реакции нейтрализации, горения);б)реакции, идущие с поглощением тепла DH>0 ? эндотермические (разложение веществ). Для рассчета энтальпии реакции необходимо составить термохимическое уравнение. Термохимическое уравнение ? уравнение химической реакции, в котором обязательно указывается агрегатное состояние вещества и численные значения тепловых эффектов. Закон Гесса: Одной из задач термохимии является расчет тепловых эффектов реакции (энтальпии реакции). Тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода. Следствие: тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов за вычетом суммы теплот образовании исходных веществ.
Функции состояния: Энергия Е, DU ? изменение внутренней энергии; DH ? изменение энтальпии; S ? энтропия; DG ? изменение энергии Гиббса, Изменение этих величин однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода, по которому протекает процесс. Энтальпия- теплосодержание системы (тепловой эффект реакции, протекающей в системе) при постоянном давлении. Энтропия: С одной стороны система стремится к упорядочению (агрегации) уменьшению DН, с другой стороны система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением температуры, а вторая с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, называемая энтропией. S0298 - энтропия образования вещества при стандартных условиях (приводится в таблицах). Размерность [Дж/моль ×K]. Постулат Планка: Энтропия индивидуального кристаллического вещества в виде идеального твердого тела при абсолютном нуле (0 К) равна 0. Второй закон термодинамики: Самопроизвольно могут протекать процессы, сопровождающиеся увеличением суммарной энтропии системы и ее окружения. DG0298- энергия Гиббса- энергия образования вещества при стандартных условиях или потенциал Гиббса (приводится в таблицах). Размерность кДж/моль. Математическое выражение второго закона термодинамики: G=DH-TDS . Направление протекания процесса: DG определяет термодинамическую вероятность протекания процесса.DG0<0 при заданных условиях самопроизвольно протекает прямая реакция; DG0>0 при заданных условиях реакция не может самопроизвольно протекать в прямом направлении, протекает обратная реакция; DG0=0 при заданных условиях вероятны и прямая и обратная реакция - равновесие.
Топливные ресурсы: возобновляемые ? возможно естественное восполнение за короткий промежуток времени. Доступны. Солнечная энергия, гидроэлектроэнергия. Невозобновляемые- невозможно восполнение после использования. Горючие ископаемые, ядерное топливо. Главные источники горючих ископаемых ? уголь, ПГ, нефть. Состав топлив: Уголь(антрацит) ? 95% углерода. Природный газ- смесь газов. 90-95% метан(СН4), остальное этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10). Нефть смесь жидких углеводородов и др. органических веществ. Синтетические топлива (бензин, керосин, дизельное топливо и др.) ? жидкие и тяжелые углеводороды. Экологически чистое топливо ? водород. Эффективность топлива оценивается теплотворной способностью (ТСТ). Топливо ? как правило смесь компонентов, теплотворная способность указывается на единицу массы (г или кг) ТСТ ? тепловой эффект сгорания 1 единицы массы жидкого или твердого топлива и 1 М3- газообразного. Единицы измерения кДж/кг кДж/м3.