Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Існує два основних типи енергії - кінетична (обумовлена рухом тіла) і потенційна (обумовлена положенням тіла або його частин в просторі). Ці два типи енергії проявляються в різних формах, наприклад, у вигляді теплової (теплота), світловий (енергія випромінювання), хімічної, електричної енергії або в інших формах.
Відповідно до закону збереження енергії. енергія не створюється з нічого і не знищується, а може передаватися від одного тіла до іншого або перетворюватися з однієї форми в іншу. Отже, якщо протягом процесу зникає енергія певного виду, то замість з'являється еквівалентна кількість енергії іншого виду. Застосуємо уявлення про збереження енергії до хімічних систем.
Мал. 4.1. Види механічного руху.
Атоми, молекули або іони, що становлять хімічну систему, мають кінетичної і потенційної енергією. Кінетична енергія обумовлена рухом частинок. Цей рух може бути поступальним, обертальним і коливальним (рис.4.1).
Одним з видів кінетичної енергії є теплота. так як вона пов'язана з рухом атомів і молекул. Потенційна енергія частинок обумовлена їх взаємодією між собою. Наприклад, електрони в атомі мають потенційну енергією по відношенню до позитивних зарядів в його ядрі. Енергія зв'язку - теж одна з форм потенційної енергії. Розрив і утворення хімічних зв'язків супроводжуються зміною потенційної енергії, так як хімічні зв'язки в продуктах реакції і у вихідних речовинах можуть істотно відрізнятися.
Сума потенційної і кінетичної енергій всіх частинок в системі (крім кінетичної і потенційної енергій системи як цілого) називається внутрішньою енергією системи (U). Абсолютне значення U не може бути визначено, так як не можна привести систему в стан, позбавлене енергії.
Внутрішня енергія є функцією стану системи, тому її зміна (DU) визначається виразом:
Зміна внутрішньої енергії системи відбувається при передачі енергії системі або від неї. Існує два основних способи передачі енергії - це передача теплоти і виконання роботи. Передача енергії, що викликається різницею температур між системою та її оточенням або між однією системою і іншою системою, називається передачею теплоти. Кількість енергії, що передається таким чином, позначається буквою Q (Дж) і одно:
де m - маса системи (кг),
DT - зміна температури (K),
C - питома теплоємність речовини, з якого складається система (Дж / (кг · K)).
Теплота не є властивістю системи, тому не може бути і функцією стану системи.
Іншою формою передачі енергії є робота - W (Дж). Існують різні види роботи. У хімії робота найчастіше пов'язана з розширенням системи. Таке розширення відбувається при виділенні газу в ході реакції. У цьому випадку робота, виконувана системою, визначається виразом:
де P - зовнішній тиск (Па), для багатьох хімічних реакцій зовнішній тиск дорівнює атмосферному;
DV = V2 - V1 - зміна обсягу системи (м 3).
Таким чином, зміна внутрішньої енергії (DU) закритої системи дорівнює різниці повідомляється системі теплоти Q і здійснюють нею при цьому роботи, тобто
Отримане співвідношення називається першим законом термодинаміки. Цей закон є одне з формулювань закону збереження енергії. так як показує, що зміна внутрішньої енергії системи (DU) пов'язано тільки з передачею енергії системі або від неї.
4.4.1. ТЕПЛОВОЇ ЕФЕКТ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. ентальпія
Зазвичай хімічні реакції супроводжуються тепловими ефектами. Тепловим ефектом називається сумарна кількість енергії, виділеної або поглиненої системою в результаті реакції, що проводиться при постійній температурі. Розділ хімії, який вивчає теплові ефекти хімічних реакцій і фазових перетворень, називається термохімією.
Відповідно до першого закону термодинаміки (рівняння 4.6) кількість виділеної або поглиненої системою теплоти Q визначається рівністю:
Підставивши вираз (4.5) в (4.6), отримаємо рівність:
визначальне тепловий ефект хімічної реакції. З рівності (4.7) випливає, що тепловий ефект реакції залежить від того, в яких умовах вона протікає. У Ізохоричний процесі V = const, DV = 0, отже, парниковий ефект реакції QV дорівнює зміні внутрішньої енергії системи:
Ентальпія, також як і внутрішня енергія, є термодинамічної функцією стану системи.
Для реакцій, в яких беруть участь тільки тверді і рідкі речовини, член p · DV в рівнянні (4.10а) дуже малий або дорівнює нулю. Для подібних реакцій виконується співвідношення DH »DU. Для газофазних реакцій, що протікають за участю газоподібних речовин, зміна обсягу значно. Якщо DV> 0, тобто відбувається розширення, то DH> DU; якщо DV <0, т.е. происходит сжатие, то DH де Dn - зміна числа моль газу, що визначається з рівняння реакції; наприклад, Хімічні реакції, що протікають з виділенням теплоти, називаються екзотермічні. При цьому в Ізохоричний процесі внутрішня енергія системи зменшується, тобто DU <0 (т.к. U2 Мал. 4. 2. Зміна ентальпії системи: а) в екзотермічної; б) ендотермічний реакції. Хімічні реакції, що протікають з поглинанням теплоти, називаються ендотермічними. При цьому в Ізохоричний процесі DU> 0, в изобарном процесі - DH> 0. Зменшення ентальпії в екзотермічних процесах означає, що сумарна енергія, що міститься в продуктах реакції у вигляді енергії хімічних зв'язків, міжмолекулярних взаємодій, молекулярних коливань і т.д. менше сумарної енергії вихідних речовин (реагентів). І навпаки, збільшення ентальпії в ендотермічних процесах означає, що сумарна енергія, що міститься в продуктах реакції більше сумарної енергії вихідних речовин. Зміна ентальпії при стандартному стані речовин. що беруть участь в реакції або при фазовому перетворенні, позначається DH ° (T) і DH ° (298 K), якщо температура системи T або 298,15 K. Теплові ефекти хімічних реакцій залежать не тільки від умов (температура, тиск, об'єм), в яких вони протікають, а й від кількості речовин, що беруть участь в реакції, і їх фізичного стану. Тому для того, щоб можна було порівнювати енергетичні ефекти різних процесів, їх характеризують зміною ентальпії при стандартних умовах, відповідним конкретному рівняння хімічної реакції. Рівняння хімічних реакцій, в яких вказані їх теплові ефекти і агрегатні стани (г-газове, ж-рідке, к-кристалічна, т-тверде) або аллотропние модифікації (наприклад, a-сірка, b-сірка) речовин, називаються термохімічними рівняннями реакцій . наприклад: 4.4.2. Термохімічну ЗАКОНИ. термохімічну РОЗРАХУНКИ Теплові ефекти хімічних реакцій можна визначити експериментально або розрахунковим шляхом. Вимірювання теплових ефектів називається калориметрією. В основі термохімічних розрахунків лежить закон, сформульований російським ученим Г.І. Гессом (1840 г.):Схожі статті