5. Энергетика и направление химических процесов

Благодаря тому, что в химических реакциях ядра атомов не изменяются, соблюдается закон сохранения вещества, т.е. сколько по массе веществ вступило в реакцию, столько же продуктов и получится. В химических реакциях и фазовых превращениях (испарение, конденсация и др.) происходит разрушение химических и иных связей в исходных реагентах и образование новых связей у продуктов. Эти процессы сопровождаются поглощением или испусканием энергии в различных формах: теплота, работа, различного рода излучения. Происходит эквивалентное превращение различных видов энергии друг в друга без ее исчезновения и образования. Соблюдается закон сохранения энергии.

Наука, которая изучает проблему взаимных переходов различных видов энергии друг в друга, а также их связь с работой и теплотой называется термодинамика. В рамках термодинамики устанавливается возможность и пределы самопроизвольного (т.е. без затраты работы) протекания различных процессов. Химическая термодинамика рассматривает возможность осуществления физико-химических превращений и возможности установления химического равновесия. Раздел термодинамики, в котором изучаются тепловые эффекты химических реакций называется термохимия.

5.1. Термодинамическая система и ее состояния

Под термодинамической системой обычно понимают конкретный объект, который выделяется из окружающего мира реально ощутимой или воображаемой границей. Например, раствор в колбе, раствор вместе с колбой или молекула в растворе.

В термодинамике принято различать открытые, закрытые и изолированные системы. ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА – это система, которая через свои границы обменивается с окружающей средой и массой и энергией. ЗАКРЫТАЯ СИСТЕМА обменивается только энергией. ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА не обменивается с окружающей средой ни массой, ни энергией. В реальных химических процессах очень часто используются закрытые системы, когда процесс происходит в герметичном сосуде с теплопроводными стенками (химический реактор). Обмен энергией с окружающей средой осуществляется посредством теплоты.

Термодинамические системы делятся на гомогенные и гетерогенные. Первые состоят из одной фазы – однородное по составу и свойствам образование, отделенное от окружающей среды реальной границей (раствор в колбе). Гетерогенные системы состоят из двух или более фаз (раствор, кусочки льда и пары воды в колбе – трехфазная система). Фазой называют однородную во всех точках по составу и свойствам часть системы, отделенную от других частей реальной границей раздела.

Любая термодинамическая система характеризуется рядом присущих ей термодинамических свойств: объемом, давлением, температурой, плотностью, концентрацией и др.

45

Все свойства системы подразделяют на две группы: ЭКСТЕНСИВНЫЕ и ИНТЕНСИВНЫЕ. Экстенсивные – это свойства, которые могут суммироваться (объем или масса двух систем при их смешении складываются). Интенсивные - это выравнивающиеся свойства (давление или температура системы, полученной при сложении двух более мелких, не равны сумме первоначальных давлений и температур). К этой категории свойств относится и концентрация химических веществ, вступающих во взаимодействие друг с другом.

Совокупность всех свойств системы определяет ее СОСТОЯНИЕ. Чтобы узнать состояние системы, надо определить количественные характеристики ее свойств (параметров состояния). Считается, что для однозначной термодинамической характеристики состояния системы достаточно знать только несколько ее свойств, так как между ними существуют функциональные зависимости. Так, например, для газовой системы достаточно знать только два каких-либо свойства из множества. Обычно выбирают два из трех основных: молярный объем, давление или температуру, а все остальные свойства окажутся строго определенными. Уравнение, связывающее эти свойства, называется уравнением состояния идеального газа: PV_М = RT, а Р,V_M и Т – параметрами состояния. Изменение параметров системы означает, что в ней происходят какие-то процессы.