- •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
Внутренняя энергия
Рассмотрим систему, которая находится в некотором состоянии С (рис. 19). В координатах р, V она характеризуется некоторым объемом V и давлением р. В силу определенных причин, которые здесь не рассматриваются, так как их природа ничего не определяет, система переходит в состояние D. В состоянии С для нее характерно давление р1 и объем V1. В состоянии D - соответственно р2 и V2. Путь перехода системы из С в D показан сплошной линией I. Затем система возвращается в исходное состояние по маршруту II, совершая тем самым циклический или круговой процесс. Согласно закону сохранения энергии, система, вернувшаяся в исходное состояние, обладает тем запасом энергии, как и перед совершением циклического процесса. При этом, переходя по маршруту I, система получала теплоту Q и совершала определенную работу А. На маршрутах I и II полученная теплота и совершенная работа могут быть как положительными, так и отрицательными. Знаки их совершенно условны. В термодинамике положительной принимается теплота, поглощаемая системой и совершаемая ей работа. Напротив, отдаваемая системой теплота и работа, совершаемая над нею (например, работа сжатия газа) отрицательны. Следовательно, раз в циклическом процессе энергия системы не изменяется, то можно записать
, (1)
где и- соответственно вся теплота (принимаемая и отдаваемая) и вся работа (совершаемая системой и над системой). Например, при расширении газа в цилиндре двигателя (рис. 20), когда поршень движется слева направо, работа положительна, так как она совершается газом (рабочим телом, выступающим в роли системы) при его расширении. В обратном случае, когда поршень движется в обратном направлении справа налево под действием внешних сил, работа отрицательна. Уравнение (1) показывает, что невозможно построить машину, в процессе работы которой увеличивалась бы энергия системы, повторяя один и тот же цикл (процесс) многократно. Иначе говорят так: «Двигатель первого рода невозможен». Отсюда и другая формулировка: «Разные формы энергии переходят одна в другую в строго эквивалентных количествах».
Рис. 19. Схема циклического процесса.
Рис. 20. Схематическое движение поршня в цилиндре двигателя тепловой машины.
Однако, вернемся к рис. 19. Система может переходить из состояния С в состояние D различными маршрутами, показанными пунктиром. Точно также по различным маршрутам из состояния D она может возвращаться в состояние С. Эти маршруты обозначены через III и IV. Пусть на i-том маршруте система получала количество теплоты Qi и совершала работу Ai (знаки Qi и Ai здесь не имеют смысла и не оговариваются). Тогда с учетом кругового процесса имеем
Q1 + Q2 = A1 + А2 (2)
Индекс, показанный арабской цифрой, соответствует номеру маршрута, указанному ранее римской цифрой.
Из уравнения (2) следует
Q1 A1 = А2 Q2 (3)
Если учесть при протекании циклического процесса маршруты I и III, будем иметь
Q1 A1 = А3 Q3 (4)
Соответственно для прямого (I) и обратного (IV) маршрутов можно записать
Q1 A1 = А4 Q4 (5)
Из сопоставления уравнений (3), (4) и (5) следует, что (опуская индексы) в циклическом процессе:
A – Q = const1 (6)
Q – A = const2 (7)
Величина постоянной в уравнениях (6) и (7) может иметь различные знаки:
1. Q > A, const2 > 0 (8)
2. Q < A, const2 < 0 (9)
3. Q = A, в частном случае, который вполне вероятен.
Следовательно, исходя из первого случая (8), не вся полученная теплота может переходить в работу, то есть тратиться на совершение работы и, наоборот (из второго случая (9)), следует, что система может совершать бóльшую работу, чем полученная ею эквивалентная теплота.
Избыток теплоты поглощается системой, что приводит к понятию внутренней энергии системы и которая в этом случае возрастает или дополнительная к Q совершенная системой работа выполняется за счет ее внутренней энергии.
Способы передачи энергии. Из сказанного следует, что энергия может передаваться любой неизолированной системой в виде теплоты, а мера переданной энергии системой окружающей среды называется количеством теплоты. Следовательно, теплота связана с процессом, а не с состоянием системы. Поэтому она не является функцией состояния и зависит от характера процесса. Ранее количество теплоты было обозначено через Q, тогда бесконечно малое количество теплоты обозначим через Q. Следовательно, Q не является полным дифференциалом, так как Q не является функцией состояния.
Помимо передачи в форме теплоты энергия может передаваться в виде работы, то есть обмен энергией между системой и окружающей средой может происходить в форме работы (системы или над системой).
Работа в виде механического линейного перемещения равна
А = Fldl.
Fl – величина силы, совпадающая с направлением перемещения, dl - бесконечно малая величина перемещения.
Работа против силы тяжести
А = Fhdh.
Fh – сила тяжести, dh – бесконечно малая высота поднятия тела.
Работа расширения газа
А = pdV,
р – внешнее давление, dV – бесконечно малое изменение объема. Отметим, что при расширении газа в пустоту (р = 0) работа также равна нулю (А = 0), то есть чем больше сопротивление (р), тем больше совершаемая системой (газом) работа.