Энергия химической реакции

Энергетика химических реакций

Юрмазова Татьяна Александровна

Томский политехнический университет

Основные понятия термодинамики

ТЕРМОДИНАМИКА (ТД) – это наука о взаимных превращениях различных видов энергии.

Основные понятия термодинамики

Химическая термодинамика

изучает:

Переходы химической энергии в другие формы- тепловую, электрическую и. т.д., Каковы энергетические эффекты химических реакций, Возможность и направление самопроизвольно протекающей реакции, Состояние химического равновесия и условия его смещения.

Основные понятия ТД

Объектом изучения в термодинамике является система. Система - это совокупность веществ находящихся во взаимодействии, мысленно (или фактически) обособленная от окружающей среды.

Основные понятия ТД

Фаза-это часть системы, однородная во всех точках по составу

и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Основные понятия ТД

Основные понятия ТД

Термодинамические параметры

Температура – Т Давление – Р Плотность – ? Концентрация - С Теплоемкость – Изменение хотя бы одного параметра приводит к изменению состояния системы в целом

Параметры химической термодинамики

U - внутренняя энергия Н - энтальпия S - энтропия G - энергия Гиббса.

Параметры химической термодинамики

Внутренняя энергия системы

Внутренняя энергия системы (U) - представляет собой ее полную энергию, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий молекул, атомов, атомных ядер и электронов. Она не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию движения системы как целого.

Единицы измерения

Единицы измерения внутренней энергии: [U] = Дж, кДж. Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно, однако можно измерить ее изменение ?U при переходе из одного состояния в другое.

Внутренняя энергия - это функция состояния

Внутренняя энергия системы.

Внутренняя энергия - это функция состояния, которая характеризует полный запас энергии системы. Изменение внутренней энергии не зависит от пути и способа перехода системы из одного состояния в другое. ?U=U2 –U1 U2 и U1 - внутренняя энергия системы в конечном и начальном состояниях соответственно.

Термодинамический процесс

- Это изменение состояния системы, сопровождающийся изменением хотя бы одного из параметров системы во времени.

Термодинамический

процесс.

В зависимости от условий перехода системы из одного состояния в другое в термодинамике различают следующие процессы: изотермические Т- const, изобарные Р-const, изохорные V-const.

Теплота

- Является мерой энергии переданной от одного тела к другому, за счет разницы температур этих тел.

Работа

- Является мерой энергии, переданной от одного тела к другому за счет перемещения масс под действием каких-либо сил.

Первый закон термодинамики

Выражает количественное соотношение между изменением внутренней энергии, теплотой и работой: Q=?U +A Т.е. теплота Q, подведенная к системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии ?U и на совершение системой работы А. работа расширения A=P??V

Энергия не исчезает и не возникает

- Энергия не исчезает и не возникает, она переходит из одной формы в другую в строго определенных, всегда в эквивалентных количествах.

Закон сохранения энергии

Изохорный процесс

Первый закон ТД: Q=?U +A = ?U + P??V Для изохорного процесса V=const , тогда ?V=0 A=0 Запишем первый закон ТД для изохорного процесса: Q=?U

Изобарный процесс

Для изобарного процесса Р=const. В изобарных процессах тепловой эффект химической реакции равен изменению энтальпии (Н). Первый закон ТД: Qр =?U+P??V=(U2-U1) + P(V2-V1)=(U2+PV2)-(U1+PV1) обозначим через Н =U+PV Тогда Qр =H2-H1=?Н. Величина Н- характеризует теплосодержание системы.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается

- Это количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой после протекания химической реакции.

Тепловой эффект реакции

Тепловой эффект реакции равен изменению энтальпии системы

Если H2 > H1 ?H= H2 – H1 > 0 реакция эндотермическая Q = ? H если H1 > H2 ?H= H2 – H1 < 0 реакция экзотермическая Q = – ? H

Энтальпия образования

- Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании 1 моля сложного вещества из простых веществ.

Стандартная энтальпия образования

Для сравнения энтальпий образования различных соединений их определяют при одинаковых стандартных условиях: Т=298 К Р=101,3 КПа, 1 атм., 760 мм.рт.ст. Энтальпия образования определенная при стандартных условиях называется стандартной энтальпией образования вещества и обозначается

Единицы измерения энтальпии образования

Единицы измерения.

Единицы измерения энтальпии образования:

Значения стандартных энтальпий образования приведены в таблицах, необходимо обращать внимание на агрегатные состояния веществ

Пример

Энтальпии образования простых веществ равны нулю

Правило!

энтальпии образования простых веществ равны нулю для устойчивых простых веществ энтальпия равна нулю Например: Для твердого йода энтальпия образования равна нулю, а для газообразного йода не равна нулю.

Уравнения химической реакции

Это уравнения химической реакции в котором указан тепловой эффект химической реакции и агрегатные состояния.

Термохимические уравнения

Виды агрегатного состояния вещества

Т – твердое к – кристаллическое, ам. – Аморфное, ж – жидкое, г – газообразное, р – растворимое.

Виды агрегатного состояния вещества

Пример

Особенности термохимических уравнений

В термохимических уравнениях могут быть дробные стехиометрические коэффициенты.

Алгебраические действия

Особенности термохимических уравнений.

С термохимических уравнениями можно производить алгебраические действия. Их можно складывать, вычитать, умножать на любые коэффициенты вместе с тепловым эффектом

Закон Гесса

Тепловой эффект химической реакции определяется лишь начальным и конечным состояниями системы реагирующих веществ и не зависит от пути ее протекания.

Получение СО2

Пример. Получение СО2.

1 путь: С + О2 = СО2 ?Н1 2 путь: С + 1/2О2 = СО ?Н2 СО + 1/2О2 = СО2 ?Н3 ?Н1 = ?Н2 + ?Н3

Следствие из закона Гесса

Теплота химической реакции равна разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ. Необходимо учитывать стехиометрические коэффициенты.

Тепловой эффект реакции

Стандартная энтальпия образования вещества количество вещества

Рассчитать

Пример. Рассчитать ?Н0 химической реакции.

Рассчитать

Пример. Рассчитать ?Н0 MgO.

Задача

Вычислите ?Н0 SO3 если при сгорании 64г серы выделилось 790 кДж тепла. Решение: S +3/2O2 =SO3 64 г S – 790 кДж 32 г S – Х кДж Х=395 кДж тепла ?Н0 SO3 = - 395кДж/моль

Сколько тепла выделится

Задача.

Сколько тепла выделится при взаимодействии 4,48 литров N2 (н.у.) с Н2 , если ?Н0 (NH3)=–46 кДж/моль. Решение: ?N2 +3/2H2 =NH3 11,2 л N2 – – 46 кДж 4,48 л N2 – Х кДж Х=18,4кДж тепла.

Возможность и направление протекания химических реакций

Самопроизвольность протекания реакции

При изучении химических взаимодействий важно оценить возможность или невозможность их самопроизвольного протекания при данных условиях. Самопроизвольно могут протекать как экзотермические, так и эндотермические реакции. Самопроизвольный процесс протекает без затраты энергии извне (смешение газов, передача тепла от горячего к холодному, вода стекает с крыши)

Второй закон термодинамики

Определяет критерий самопроизвольного протекания процесса в изолированных системах - энтропию.

Второй закон термодинамики

Энтропия

Это параметр характеризующий хаотичность движения частиц, является мерой молекулярного, атомного и ионного беспорядка.

Параметры состояния вещества

Параметры макросостояния системы: Р -давление, Т – температура ,V – объем Параметры микросостояния системы: 1. мгновенные координаты каждой молекулы (Хi, Yi, Zi) 2. скорости их перемещения (Vхi, Vyi, Vzi) Каждому макросостоянию отвечает большое число микросостояний.

Термодинамическая вероятность состояния системы

Это число микросостояний, с помощью которых осуществляется данное макросостояние.

Термодинамическая вероятность состояния системы (W)

Уравнение Больцмана

Уравнение Больцмана придало энтропии физический смысл.

Основные положения

Энтропия- это мера термодинамической вероятности состояния веществ и систем. Любая изолированная система предоставленная самой себе, изменяется в направлении состояния обладающего максимальной вероятностью. Все процессы в изолированной системе происходят в направлении увеличения энтропии.

Изменение энтропии

?S = S2 –S1 если ?S > 0, то процесс протекает в прямом направлении, если ?S < 0, то процесс протекает в обратном направлении.

Изменение энтропии

Энтропия химической реакции

Стандартная энтропия образования вещества количество вещества

Основные положения

Значения стандартных энтропий приведены в таблице; значение энтропий зависит от агрегатного состояния веществ.

Основные положения

Пример

Абсолютное значение энтропии

В отличие от энтальпии и внутренней энергии можно определить абсолютное значение энтропии всех веществ, т.к. для энтропии есть нулевая точка отсчета. Энтропия вещества при Т=0 К равна нулю, вероятность = 1. Данное макросостояние достигается единственным микросостоянием. При фазовых переходах (плавление, кипение) энтропия растет скачкообразно. Если в реакции участвуют газообразные вещества, то об изменении энтропии можно судить по изменению объема газообразных веществ.

Пример

Сграфит тв. + СО2 = 2СОгаз ?S=175,4 1моль 2 моль ?S>0 твердые и жидкие вещества не учитываются , в данной реакции объем увеличивается, беспорядок системы возрастает ?S>0.

Беспорядок системы уменьшается

Пример.

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) ?S<0 2 1 2 в данной реакции объем уменьшается, беспорядок системы уменьшается

Факторы неизолированных систем

1.Энтальпийный ?Н- отражает стремление системы к образованию связей в результате взаимного притяжения частиц, что приводит к их усложнению. Энергия при этом выделяется и ?Н<0. (Стремление системы перейти в состояние с минимальной Е, при этом выделяется тепло ?Н<0.) 2. Энтропийный (T?S) – отражает стремление к усилению процессов диссоциации сложных частиц на более простые и их менее упорядоченному состоянию в результате ?S>0. (Стремление системы перейти в состояние с большим беспорядком ?S>0.)

Энергия Гиббса

Энтропийный и энтальпийный факторы обычно действуют в противоположных направлениях и общее направление реакции определяется влиянием преобладающего фактора. В неизолированных системах критерием является ?G –энергия Гиббса, ее рассчитывают при разных температурах.

Уравнение энергии Гиббса

Скорость прямой реакции

?G<0 самопроизвольно протекает в прямом направлении, ? G>0 прямая реакция невозможна и протекает в обратном направлении, ? G=0 реакция находится в состоянии равновесия, т.Е. Скорость прямой реакции равна скорости обратной.

Величина и знак ?G позволяют судить о принципиальной возможности и направлении процесса.

Возможна ли данная реакция

Пример.

Fe2O3(тв) +3Н2 (г) =2Fe (тв) +3Н2О(г) ?Н х.р. = 96,61 кДж Возможна ли данная реакция при стандартных условиях, если ?Sх.р. = 138,7 Дж/град? Решение: Вычисляем : ?G= ?H – T ?S ?G= 96,61 -298?138,7?10–3 =55,28 кДж, т.к. ? G>0 ,то реакция при стандартных условиях невозможна, в этих условиях идет обратная реакция.

При какой температуре начнется эта реакция

Пример.

При какой температуре начнется эта реакция? Решение: Найдем температуру при которой ?G=0? ?H =T ?S T = ?H/ ?S =96,61/0,1387=696.5 K Следовательно при температуре >696,5K начнется реакция восстановления Fe2O3 водородом.

G<0

?G<0.

?G<0

?G<0

?G>0

?H<0

?H<0

?H>0

?H>0

?S>0

?S<0

?S>0

?S<0

при любых Т

Т низкое

Т высокое

при любых Т

Значение ?G можно определить приблизительно:

Энергия Гиббса химической реакции

стандартная энергия Гиббса образования вещества количество вещества

Стандартная энергия Гиббса образования химического соединения

?G°.

это энергия Гиббса реакции образования одного моля этого соединения находящегося в стандартных условиях, из простых веществ ?G° простых веществ так же как ?H°, ?S° равны нулю Единицы измерения ?G° - кДж/моль Стандартная энергия Гиббса образования химического соединения ?G° приведена в справочниках

Устойчивость соединений

Такие вещества термодинамически неустойчивы, они не могут быть получены из простых веществ

Вещество термодинамически устойчиво и может быть получено из простых веществ

NO, NO2

Пример.

NO, NO2 , при стандартных условиях их получают косвенным путем: cu + HNO3 ? cu(no3)2 +NO + H2O

Любая реакция

при постоянных температуре и давлении протекает самопроизвольно в направлении убыли энергии Гиббса.

Важно!

Химическое равновесие и константа равновесия

Состояние равновесия

это такое состояние системы при которой ?G = 0, а скорость прямой реакции равна скорости обратной: аА + вВ = сС + dD V прямой = V обратной

Константа равновесия

Характеризует количественное состояние равновесия

Расчет константы равновесия

Для расчета константы равновесия используются равновесные концентрации. Если в реакции все вещества находятся в газообразном состоянии, то вместо равновесных концентраций можно использовать значения парциальных давлений.

Парциальное давление

Это такое давление газа, входящего в смесь, которое он оказывал бы, если бы занимал тот объем, который занимает вся смесь.

Пример

Связь

Кр и ?G°.

Константа равновесия связана со стандартной энергией Гиббса следующим соотношением:

Зная значения ?G° для химической реакции можно рассчитать константу равновесия и равновесные концентрации.

Смещение равновесия

При изменении внешних условий меняются равновесные концентрации, происходит смещение равновесия. Направление смещения химического равновесия при изменении внешних условий определяется правилом Ле-Шателье.

Принцип Ле–Шателье

При внешнем воздействии равновесие смещается в сторону ослабления этого воздействия.

Принцип Ле–Шателье

Влияние температуры на равновесие химической реакции

Повышение температуры - смещает равновесие в сторону эндотермической реакции Понижение температуры - смещает равновесие в сторону экзотермической реакции.

1. Влияние температуры на равновесие химической реакции

Влияние давления на равновесие химической реакции

Повышение давления смещает равновесие в сторону меньшего объема. 3Н2 + N2 ? 2NH3 3 1 ? 2 Если равные объемы, то давление не влияет на смещение равновесия.

2. Влияние давления на равновесие химической реакции

Влияние концентрации на равновесие химической реакции

Повышение концентрации исходных веществ смещает равновесие в сторону продуктов реакции. Повышение концентрации продуктов реакции смещает равновесие в сторону исходных веществ.

3. Влияние концентрации на равновесие химической реакции

Влияние катализатора на равновесие химической реакции

Введение катализатора не влияет на смещение равновесия, но ускоряет процесс достижения равновесия.

4. Влияние катализатора на равновесие химической реакции