- •В.И. Вигдорович, с.В. Романцова, н.В. Шель, и.В. Зарапина
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Часть I. Основы органической химии
- •Структура органических соединений
- •Теория строения органических соединений а.М. Бутлерова
- •Изомерия органических соединений
- •Индуктивный и мезомерный эффекты
- •Понятие о мезомерном эффекте
- •Типы реакций органических соединений. Понятие о механизме реакции
- •Типы реакций в органической химии
- •Направление и селективность химической реакции
- •Предельные (насыщенные) углеводороды
- •Изомерия алканов.Для алканов характерен один из видов структурной изомерии – изомерия углеродной цепи (строения углеродного скелета). Приведем примеры таких изомеров:
- •Физические свойства алканов
- •Физические характеристики некоторых нормальных углеводородов
- •Влияние разветвления молекул алканов на их физические характеристики
- •Химические свойства алканов
- •Некоторые отдельные представители
- •Экологическая характеристика алканов
- •Задачи по теме
- •Циклоалканы
- •Физические свойства циклоалканов
- •Получение циклоалканов
- •Химические свойства малых циклов
- •Применение циклоалканов
- •Экологическая оценка
- •Непредельные углеводороды Алкены (олефины)
- •Физические свойства олефинов
- •Получение олефиновых углеводородов
- •Химические свойства олефинов
- •Отдельные представители олефинов
- •Экологические характеристики
- •Задачи по теме
- •Алкадиены (диеновые углеводороды)
- •Методы получение диенов
- •Химические свойства диенов
- •Каучуки
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Алкины (ацетиленовые углеводороды)
- •Методы получения алкинов
- •Физические свойства алкинов
- •Химические свойства алкинов
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Предельные спирты
- •Предельные одноатомные спирты
- •Получение одноатомных спиртов
- •Физические свойства первичных спиртов
- •Химические свойства одноатомных спиртов
- •Отдельные представители
- •Предельные многоатомные спирты
- •Получение двухатомных спиртов
- •Получение трехатомных спиртов
- •Физические свойства многоатомных спиртов
- •Химические свойства многоатомных спиртов
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Предельные оксосоединения
- •Альдегиды
- •Получение альдегидов
- •Физические свойства альдегидов
- •Химические свойства альдегидов
- •Отдельные представители
- •Экологическая характеристика
- •Получение кетонов
- •Химические свойства кетонов
- •Отдельные представители
- •Задачи по теме
- •Карбоновые кислоты
- •Электронное строение карбоксильной группы
- •Предельные карбоновые кислоты
- •Физические свойства кислот
- •Получение карбоновых кислот
- •Химические свойства карбоновых кислот
- •Свойства отдельных представителей гомологического ряда
- •Задачи по теме
- •Азотсодержащие органические соединения
- •Нитросоединения
- •Нитрилы и изоцианиды
- •Алифатические амины
- •Физические свойства аминов
- •Получение аминов
- •Химические свойства аминов
- •Отдельные представители
- •Экологическая характеристика
- •Задачи по теме
- •Аминокислоты
- •Физические свойства α-аминокислот
- •Способы получения -аминокислот
- •Способы получения -аминокислот
- •Химические свойства аминокислот
- •Отдельные представители
- •Простые и сложные эфиры Простые эфиры
- •Способы получения простых эфиров
- •Физические свойства простых эфиров
- •Химические свойства простых эфиров
- •Отдельные представители
- •Сложные эфиры карбоновых кислот Получение сложных эфиров карбоновых кислот
- •Химические свойства эфиров карбоновых кислот
- •Физические свойства жиров
- •Химические свойства жиров
- •Сложные липиды
- •Ароматические углеводороды, арены Бензол и его производные
- •Методы получения бензола и его гомологов
- •Получение гомологов бензола
- •Физические свойства аренов
- •Химические свойства
- •Экологиченские характеристики
- •Ароматические оксосоединения Фенолы
- •Некоторые физические и термодинамические характеристики ряда фенолов
- •Получение фенола
- •Некоторые химические свойства фенола
- •Задачи по теме
- •Гетероциклические соединения
- •Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом
- •Химические свойства пиридина
- •Диоксины
- •Физико-химические свойства ксенобиотиков типа диоксинов
- •Источники ксенобиотиков
- •Пестициды
- •Фуллерены. Синтез и свойства соединений на их основе
- •Методы получения гидридов фуллеренов
- •Кислотность фуллеренов
- •Применение фуллеренов
- •Высокомолекулярные соединения
- •Свойства высокомолекулярных соединений
- •Основные химические реакции высокомолекулярных соединений
- •Часть II основы химической термодинамики
- •Понятия и термины химической термодинамики
- •Внутренняя энергия
- •Первое началотермодинамики
- •Следствия из первого начала термодинамики
- •Теплоемкость при постоянном объеме, сv
- •Теплоемкость при постоянном давлении
- •Равновесные процессы. Максимальная работа
- •Термохимия
- •Закон Гесса
- •Следствия из закона Гесса
- •И окончательно
- •Связь h и u химических реакций
- •Зависимость тепловых эффектов от температуры. Закон Кирхгофа
- •Совершенно очевидно, что разности Сi можно выразить через уравнение
- •Средняя теплоемкость
- •Работа тепловой машины. Теорема и цикл Карно
- •Второе начало термодинамики
- •Энтропия как критерий самопроизвольного течения процесса
- •Следовательно, если такой процесс протекает в изолированной системе, то
- •Расчет энтропии
- •Расчет изменения энтропии идеального газа
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Принцип локального равновесия
- •Важно найти функции, определяющие зависимость deSиdiSот экспериментально измеряемых величин.
- •Статистическая интерпретация энтропии
- •Химический потенциал и химическое сродство
- •Химический потенциал
- •Химическое сродство
- •Уравнение Клапейрона-Клаузиуса
- •Термодинамические потенциалы
- •Свободная энергия Гиббса
- •Для чистого вещества
- •Условия самопроизвольного протекания процесса
- •Уравнение Гиббса-Гельмгольца
- •Тепловая теорема Нернста. Третий закон термодинамики
- •Некоторые аспекты, связанные с достижением химического равновесия
- •Изотерма химической реакции
- •Изобара химической реакции
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Задача 7.Для реакции
- •Задача 8.Для реакции
- •Задача 10.Для реакции
- •Задача 11. Для реакции
- •Литература Основная литература
- •Дополнительная литература
Средняя теплоемкость
Часто в расчетах тепловых эффектов реакций находит применение средняя теплоемкость веществ в некотором температурном интервале Т1 – Т2, которая рассчитывается по уравнению
= ,
где q – теплота, необходимая для нагревания вещества или системы в пределах от Т1 до Т2, где Т1 – Т2 – границы температурного интервала. При изменении температуры от Т1 до Т2 количество поглощенной теплоты равно
Н = ,
Н = .
С другой стороны
q = (T2 – T1).
Так как q Н, приравняем правые части последних уравнений.
(T2 – T1) =
(T2 – T1) = а(T2 – T1) +
= а + .
Если Т1 = 0, имеем
= а + .
Если пренебречь третьим членом правой части (ввиду его малости), получим
= а + .
Qp Н = .
Работа тепловой машины. Теорема и цикл Карно
В эпоху начала создания паровых машин, естественно встал вопрос о коэффициенте полезного действия, как идеальной машины, так и при ее работе в реальных условиях. Такую машину в схематическом варианте можно представить состоящей из следующих частей:
1. Рабочего тела, получающего теплоту от некоторого теплового резервуара и производящего работу.
2. Самого теплоисточника как некоторого горячего резервуара с температурой Т1.
3. И холодильника или холодного резервуара, которому рабочее тело передает часть полученной им теплоты, не перешедшей в работу (в работу расширения), с температурой Т2.
Схематически представим себе процесс следующим образом.
Теплоисточник с температурой Т1 передает теплоту, количеством Q1 рабочему телу (идеальный газ). Идеальный газ частично за счет Q1 производит работу в тепловой машине А и часть теплоты, не перешедший в работу, Q2, отдает холодильнику (холодному резервуару).
В 1824 г. Сади Карно нашел способ вычисления максимальной работы, которую может совершить тепловая машина. Он впервые осознал, что отсутствует зависимость от устройства двигателя и способа, которым совершается работа, а существует лишь зависимость только от температур, обусловливающих поток теплоты. Максимальная работа достигается в тех двигателях, в которых процесс передачи теплоты происходит бесконечно медленно при бесконечно малой разности температур теплоисточника и холодильника.
Карно не получил самого выражения, позволяющего рассчитать максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины, это сделали другие. Но он осознал и сформулировал сам принцип. Акцентируя на нем внимание читателей, отметим, что открытие С. Карно в следующем: обратимый тепловой двигатель производит максимальную работу, а максимальная величина является исключительно функцией температуры горячего и холодного резервуаров.
= А/Q1,
где А – совершенная работа, Q1 – теплота, взятая у теплоисточника.
. (25)
В последнем выражении Q1 – количество тепла, взятое у теплоисточника с температурой Т1 рабочим телом, а Q2 – количество тепла, которое не перешло в работу и передано этим телом холодильнику с температурой Т2.
Задача. Температура теплоисточника 1000 К, температура холодильника 298 К. Рабочее тело получило от теплоисточника 10000 Дж теплоты. Найти величину совершенной в равновесных условиях работы и количество теплоты, отданной холодильнику.
= 0,702
А = 0,702 Q1; A = 702 Дж; Q2 = 1000 – 702; Q2 = 298 Дж.
Обратимый цикл Карно, рассматриваемый в координатах p, V имеет вид, показанный на рис. 21.
Он состоит из четырех процессов: изотермического расширения при температуре Т1, изотермического сжатия при температуре Т2 и адиабатического расширения и сжатия газа.
Рис. 21. Цикл Карно (проекция на координатную плоскость p – V). АВ – изотермическое расширение при температуре Т1, CD – изотермическое сжатие при температуре Т2, ВС – адиабатическое расширение и DА – адиабатическое (без подвода тепла извне) сжатие при давлении pi.
Работа изотермических процессов:
А1 = RT1ln (участок АВ)
А3 = RT2ln (участок CD)
Vi – объем одного моля газа в состояниях, соответствующих точкам А, В, С и D.
Работа адиабатических процессов равна:
А2 = CV(T1 – T2) (участок ВС)
А4 = CV(T2 – T1) (участок DA).
В реальных условиях рабочий процесс тепловой машины не может происходить равновесно. Пусть для нее q1 – тепло, отданное теплоисточником тому же рабочему телу, а q – переданное последним холодильнику. Но в этих условиях q1 < Q1 q2 > Q2, следовательно
и
.
Таким образом, реальн < ид.(обратим.).
Из математического выражения (25) вытекают следующие следствия:
1. Т1 = Т2; = 0. Невозможно получить работу за счет теплоты, если имеется только один тепловой резервуар и система, совершая циклический процесс, возвращается в исходное состояние. Иначе говоря, невозможен вечный двигатель 2-го рода, когда переход теплоты в работу не сопровождается изменениями в системе.
2. Т2 = 0; = ; = 1. Таким образом, коэффициент полезного действия тепловой машины максимален при любой температуре теплоисточника. Но при этом не происходит изменений в системе, что невозможно. Следовательно, Т = 0 (абсолютный нуль температуры) недостижима.