Курсовая работа по предмету «физическая химия»

1.1.Тепловой эффект химической реакции 

изменение внутреннейэнергии или энтальпии системывследствиеп. ротекания химической реакции и превращения исходных веществ (реактантов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции (стехиометрии реакции)
Поясним приведённое выше определение теплового эффекта химической реакции[K 1]. Для этого запишем фундаментальные уравнения Гиббса для простой открытой однородной .
Важно понимать, что представление о теплоте химической реакции при сохранении исторически сложившегося названия (восходящего ко временам, когда любое изменение температуры связывали с поглощением или выделением теплоты) уже не имеет прямого отношения к общефизическому понятию количества теплоты. Действительно, при химической реакции в изолированной системе (например, инициируемом электрической искрой взрыве гремучего газа в герметически закрытом термосе) может иметь место изменение температуры (за счёт выделения теплоты), но не происходит обмена с окружающей средой(так как попросту это термос - изолированная система), ни изменения внутренней энергии системы. Наконец, традиционная трактовка теплоты, основанная на представлении об адиабатической изоляции системы от окружающей среды (см. Неоднозначность понятий «теплота» и «работа») к открытым системам не применима, и для них теплоту бесконечно малого квазистатического процесса полагают равной.
Из сказанного ясно, почему в дефиниции теплового эффекта химической реакции фигурируют внутренняя энергия, энтальпия и запрет на любые виды работ в системе, кроме работы расширения/сжатия. Уточним, что в понятии «химическая работа» термин «работа» не имеет отношения к понятию «термодинамическая работа» и использован просто как синоним словосочетания «изменение энергии». [1-2]
Наконец, подчеркнём, что когда речь идёт о тепловом эффекте химической реакции, то, как и во многих других случаях, касающихся термохимии, подразумевается, что речь идёт о закрытой системе и полномасштабное применение мощного, но громоздкого математического аппарата термодинамики систем переменного состава не требуется.
Энергетический эффект химической реакции всегда рассматривают применительно к конкретному термохимическому уравнению, которое может не иметь отношения к реальному химическому процессу. Термохимическое уравнение лишь показывает, какие наборы начальных и конечных индивидуальных веществ, находящихся в определенных состояниях и количественных соотношениях, исчезают и образуются. В начальном состоянии должны присутствовать только исходные вещества (реактанты), а в конечном — только продукты химической реакции. Единственным условием при записи термохимического уравнения является соблюдение материального и зарядового баланса. Вещества в растворённом или адсорбированном состоянии тоже считаются индивидуальными соединениями; если растворитель или адсорбент не участвует непосредственно в химической реакции и не реагирует с растворённым веществом, то он рассматривается просто как фактор, влияющий на термодинамические свойства рассматриваемого вещества. Наконец, в термохимическом уравнении могут фигурировать частицы, не способные к самостоятельному существованию (электроны, протоны, ионы, радикалы, атомарные простые вещества).
Энергетический эффект реального процесса с химической реакцией зависит от условий проведения процесса и не может служить стандартной характеристикой конкретной химической реакции^[3]. Химическая же термодинамика нуждается в показателе, связанном с энергетикой химической реакции, но не зависящем от условий её проведения. Покажем, как получен интересующий нас показатель. [1-2]
Для этого рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Возьмем чистые индивидуальные исходные вещества в мольных количествах, соответствующих стехиометрическим коэффициентам интересующего нас термохимического уравнения, и находящиеся при определенных температуре и давлении. Если привести эти вещества в контакт, то энтальпия образовавшейся неравновесной системы в начальный момент времени будет равна сумме энтальпий исходных веществ. Теперь рассмотрим конечное состояние изучаемой системы в предположении, что реактанты прореагировали полностью и продукты реакции находятся при той же температуре и том же давлении, что и реактанты. Энтальпия системы (в общем случае неравновесной) из продуктов химической реакции будет равна сумме энтальпий этих веществ. Поскольку энтальпия — функция состояния, то разность энтальпий системы в конце и начале рассмотренного мысленного эксперимента не зависит от условий проведения химической реакции. Эту разность энтальпий и называют изобарным тепловым эффектом (термохимической теплотой) химической реакции, соответствующей определённому термохимическому уравнению. Важно, что реальная осуществимость рассмотренного мысленного эксперимента, гипотетические условия его проведения и неравновесность исходного и конечного состояний термохимической системы не сказываются на дефиниции теплового эффекта химической реакции.
Часто тепловой эффект химической реакции относят к 1 молю одного из продуктов реакции.
Резюмируем сказанное: теплота процесса, связанного с фактическим протеканием химической реакции, и энергетический эффект химической реакции отнюдь не одно и то же, а дефиниция теплового эффекта химической реакции вообще не предполагает действительного[1-2] осуществления реакции, соответствующей рассматриваемому термохимическому уравнению.
И внутренняя энергия, и энтальпия представляют собой функции состояния, поэтому тепловой эффект химической реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, то есть от числа и характера промежуточных стадий (закон Гесса).
Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении, и равный изменению энтальпии системы в процессе, соответствующем термохимическому уравнению, называется изобарным тепловым эффектом или энтальпией химической реакции. Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном объёме, и равный изменению внутренней энергии системы в процессе, соответствующем термохимическому уравнению, называют изохорным тепловым эффектом.
Для отдельных типов химических реакций вместо общего термина «тепловой эффект химической реакции» используют специальные (сокращённые) термины: теплота образования, теплота сгорания и т. п.
Дефиниции тепловых эффектов должны быть дополнены указанием на начальные точки отсчёта значений энергии и энтальпии. Для сравнения тепловых эффектов и упрощения термодинамических расчётов все величины тепловых эффектов реакций относят к стандартным условиям (все вещества находятся в стандартных состояниях).
Если реакцию — реально или гипотетически — проводят при стандартных условиях (T = 298,15 К = 25 °С и P = 1 бар = 100 кПа)^[36], то тепловой эффект называют стандартным тепловым эффектом реакции или стандартной энтальпией реакции Δ Hor.
Химические реакции, сопровождающиеся повышением температуры, называют экзотермическими,понижениемтемпературы эндотермическими. В термодинамической системе знаков тепловой эффект[1-2] экзотермической реакции или {\displaystyle \Delta H<0} считают отрицательным, эндотермической {\displaystyle \Delta U>0} или {\displaystyle \Delta H>0} — положительным. В устаревшей и не рекомендуемой к употреблению термохимической системе знаков положительным, наоборот, считается тепловой эффект экзотермической реакции, а отрицательным — эндотермической.
Тепловые эффекты химических реакций важны для теоретической химии и необходимы при расчётах равновесных составов смесей, выхода продуктов реакций, удельной тяги топлив реактивных двигателей и для решения многих других прикладных задач.
Изучение тепловых эффектов химических реакций составляет важнейшую задачу термохимии. Для расчёта стандартных тепловых эффектов химических реакций используют таблицы стандартных теплот образования или сгорания физическое тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом^[1]; выделяемая (реально или мысленно) для изучения макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц^[2], «часть Вселенной, которую мы выделяем для исследования»^[3]. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро^[4] (примерно 6·10²³ частиц на моль вещества), дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д. Любой земной объект, видимый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов (микроскопы, зрительные трубы и т. п.), можно термодинамическимсистемам:«Термодинамиказанимается макроскопических систем, пространственные размеры [3-4]которых и время существования достаточны для проведения нормальных процессов измерения». Условно к макроскопическим системам относят объекты с размерами от 10⁻⁷ м (100 нм) до 10¹² м.
Условность нижней границы связана, помимо прочего, с тем, что для термодинамики важен не размер объекта, а число образующих его частиц. Куб идеального газа с ребром 100 нм при нормальных условиях содержит около 27 000 частиц (см. Постоянная Лошмидта).
Рабочее тело, представление о котором используют в технической термодинамике, есть пример термодинамической системы.
Абсолютно твёрдое тело с термодинамической точки зрения представляет собой одну-единственную частицу и по этой причине вне зависимости от своих размеров к термодинамическим системам не относится.
Галактические и метагалактические системы термодинамическими не являются.Любую часть термодинамической системы называют подсистемой. Для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, характеризующие не свойства составляющих её частиц, а свойства самой системы: температуру, давление, объём, магнитную индукцию, электрическую поляризацию, массу и химический состав компонентов и др.
Каждая термодинамическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды, под которой подразумевают все тела, не включённые в термодинамическую систему^[14]. Иногда вместо окружающей среды говорят о термостате, т. е. среде с настолько большой теплоёмкостью, что её температура при теплообмене с изучаемой системой не меняется. По умолчанию предполагается, что окружающая среда достаточно велика и поэтому её параметры не зависят от протекающих в рассматриваемой системе процессов. [3-4]
Кроме того, обычно подразумевается, что окружающая среда находится в состоянии термодинамического равновесия и её характеристики не зависят от времени и пространственных координат.
Важно, что в состав термодинамической системы включают все частицы, имеющиеся в выделяемой для изучения области пространства. Дело в том, что в термодинамике иногда мысленно разбивают реальную физическую систему на самостоятельные подсистемы объектов с особыми свойствами, и один и тот же объём рассматривают как занимаемый одновременно двумя и более виртуальными квазинезависимыми (слабо взаимодействующими друг с другом) парциальными подсистемами частиц разной природы (например, газовую смесь характеризуют парциальными давлениями составляющих её газов; в газовой плазме одновременно присутствуют ионы и свободные электроны со своими существенно отличными парциальными температурами — ионной и электронной; в кристалле выделяют подсистемы фононов и магнонов;
подсистему ядерных спинов парамагнетика характеризуют собственной парциальной спиновой температурой, способной принимать отрицательные значения по шкале Кельвина). Данный формальный приём позволяет вводить для рассматриваемой подсистемы частиц парциальные характеристики, не обязательно имеющие прямое отношение к физической системе как единому целому (см., например, Отрицательная абсолютная температура).
Термодинамические системы служат предметом изучения термодинамики, статистической физики и физики сплошных сред.По используемым для термодинамического описания системы параметрам состояния различают: простые системы, простые открытые системы и сложные системы. [3-4]