РАЗДЕЛ 3
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Системой называется комплекс взаимодействующих между собой физических тел, фактически или мысленно обособленных от окружающей среды.
Энергетическое состояние системы (реакции) и происходящие в ней изменения характеризуются четырьмя термодинамическими функциями и при этом рассматривается их изменение ( ) при переходе из одного состояния системы в другое.
1.Внутренняя энергия ( U, кДж) характеризует состояние системы при V=const.
2.Энтальпия ( Н, кДж) характеризует состояние системы при
Р=const.
Н– это энергия расширения системы или тепловой эффект системы (химической реакции).
Тепловым эффектом ( Н) химической реакции называется количество выделившейся или поглощенной теплоты при протекании реакции.
Эндотермический процесс ( |
Н<0) – теплота выделяется |
Экзотермический процесс ( |
Н>0) – теплота поглощается |
CaCO3 = CaO + CO2 |
( Н = + 178 кДж/моль) |
Теплотой образования (стандартной энтальпией образования Н0298, кДж/моль) называется количество выделившейся или поглощенной теплоты при образовании одного моля сложного вещества из про-
стых веществ.
В различных агрегатных состояниях теплота образования для одного и того же вещества будет неодинаковой.
H2 |
(г) + 1/2O2 |
(г) = H2O (пар) |
Н0298 |
= – 241,6 кДж/моль |
H2 |
(г) + 1/2O2 |
(г) = H2O (ж) |
Н0298 |
= – 285,8 кДж/моль |
H2 |
(г) + 1/2O2 |
(г) = H2O (лед) |
Н0298 |
= – 291,9 кДж/моль |
Теплота образования простого вещества равна 0.
Закон Лавуазье – Лапласа (1780 г.)
Теплота образования сложного вещества из простых равна теплоте разложения этого вещества на простые, взятой с противоположным знаком.
– Нобр = + Нразл
Закон Гесса (1840 г.)
Тепловой эффект реакции зависит от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
45
Следствие из закона Гесса Тепловой эффект химической реакции равен разности между
суммой теплот образования полученных продуктов и суммой теплот образования исходных веществ.
DН0 = åDН0298 (ПОЛ. ПР.) – åDН0298 (ИСХ. В-В)
где: DН0 – тепловой эффект реакции;
åDН0298 (ПОЛ. ПР.) – сумма теплот образования полученных продуктов (кДж);
åDН0298 (ИСХ. В-В) – сумма теплот образования исходных веществ (кДж). 3. Энтропия (S, Дж/(моль·K)) – мера беспорядка в системе
DS = åS0298 (ПОЛ. ПР.) – åS0298 (ИСХ. В-В)
где DS – изменение энтропии системы (реакции);
åS0298 (ПОЛ. ПР.) – сумма стандартных энтропий полученных продуктов (Дж/(моль·К));
åS0298 (ИСХ. В-В) – сумма стандартных энтропий исходных веществ (Дж/(моль·К)).
DS может определять возможность самопроизвольного протекания
реакции в прямом направлении, если DS > 0 и процесс не сопровождается энергетическими изменениями. Если процесс сопровождается выделением или поглощением энергии, то кроме знака DS необходимо учитывать значение DН.
4. Свободная энергия ( G, кДж/моль) или энергия Гиббса опре-
деляет возможность самопроизвольного протекания химической реакции в прямом направлении.
Протекание химической реакции в прямом направлении возможно при DG < 0; невозможно при DG > 0; равновесие при DG = 0. Свободную энергию (DG) можно вычислить из выражений:
DG = DH – TDS
где DG –изменение свободной энергии реакции;
DH –тепловой эффект реакции; DS – изменение энтропии реакции; Т – температура (К).
DG = åDG0298 (ПОЛ. ПР.) – åDG0298 (ИСХ. В-В)
где åDG0298 (ПОЛ. ПР.) – сумма изменений стандартных свободных энергий полученных продуктов;
åDG0298 (ИСХ. В-В) – с сумма изменений стандартных свободных энергий исходных веществ;
DG = – R·T·lnK
где R – газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К); T – температура (К); ln K – натуральный логарифм константы химического равновесия.
DG = – n·E·F
где n – количество принятых или потерянных электронов; E – электродвижущая сила гальванического элемента (В); F – постоянная Фарадея (≈96500 Кл/моль).
46