Раздел 3. Тепловые эффекты химических реакций

3.1. Теоретическая часть

3.1.1. Первый закон термодинамики

При химических, реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота. Теплоты реакций являются, таким образом, мерой изменения свойств системы и знание их может иметь большое значение при определении условий протекания тех или иных реакций. Реакции, протекающие с выделением теплоты называются экзотермическими. Реакции, протекающие с поглощением теплоты – эндотермическими.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты выделяемой или поглощаемой в результате осуществления химического процесса при постоянных давлении или объеме и равенстве температур исходных веществ и продуктов, а также при отсутствии всех видов работы кроме работы расширения.

Определением тепловых эффектов химических реакций занимается термохимия, раздел химической термодинамики. Термохимические измерения дают исходные величины для расчетов и позволяют определить энергию химических связей в молекулах.

Стехиометрическое уравнение реакции, записанное с указанием агрегатных состояний веществ и теплового эффекта называется термохимическим.

При записи термохимических уравнений реакций в скобках после веществ указывается агрегатное состояние вещества, а также тепловой эффект или энтальпия реакции. Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния веществ: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно. Термохимические уравнения, если это специально не оговорено, содержат тепловые эффекты при постоянном давлении Q_р, равные изменению энтальпии системы H, взятому с обратным знаком. Значение H приводят обычно в правой части уравнения, отделяя их запятой или точкой с запятой. При увеличении количества реагирующих веществ тепловой эффект реакции пропорционально возрастает.

1-й закон термдинамики:

При процессах, происходящих в закрытых системах, сумма тепла Q, поглощенного системой из окружающей среды, и работы W, произведенной над системой, равна возрастанию внутренней энергии U системы.

∆U = Q + W (3.1)

Энергия является величиной неопределенной, так как включает произвольную аддитивную константу. Но это не приводит к практическим неудобствам, так как любое соотношение между энергией и другими величинами, измеримыми в опыте, всегда содержит только величину изменения энергии, независимую от аддитивной константы.

Внутренняя энергия системы, U – сумма энергии взаимодействия нуклонов в ядрах, ядер с окружающими их электронами, энергии связей атомов с другими атомами в молекулах системы, энергии межмолекулярного взаимодействия и кинетической энергии движения всех частиц системы.

Теплота, Q, является микроскопической формой передачи энергии от одной системы к другой за счет столкновения хаотически движущихся молекул и атомов.

Теплопередача осуществляется за счет теплопроводности, излучения и конвекции. Направление передачи энергии определяется температурой: от более нагретых участков к менее нагретым. В ходе экзотермических реакций система нагревается, теплота выделяется (Q>0). В ходе эндотермических реакций система охлаждается и поглощает энергию из окружающей среды (Q<0).

Работа, W, макроскопическая форма передачи энергии от упорядоченного поступательно движущегося потока большого числа частиц системы к частицам окружающей среды с созданием в ней аналогичного потока.

Система совершает работу расширения (W>0), окружающая среда совершает над системой работу сжатия (W<0).

Из механики известно, что работа по изменению объёма равна

W = p∆V, (3.2)

где p – давление.

Первый закон термодинамики ограничивает круг возможных процессов, т.е. таких процессов, при реализации которых сохраняется энергия и даёт возможность вычислить изменения внутренней энергии системы U с помощью измеряемых на опыте величин, работы и теплоты.

Рассмотрим типовые процессы: