Энергетика химических реакций

В результате успешного освоения материала этой главы студент должен:

знать

• • определение понятия «тепловой эффект реакции»;
• • закон сохранения энергии в приложении к химической реакции, закон Гесса;
• • условие самопроизвольного протекания химических реакций при постоянных давлении и температуре;

уметь

• находить в справочной литературе значения термодинамических функций и производить с ними практические расчеты;

владеть

• представлениями об изменении энтальпии, энтропии и энергии Гиббса в результате химической реакции, о роли энергетики химических реакций в неживой и живой природе.

Основные понятия

Энергетика химических реакций изучается в рамках раздела химии, который называется химической термодинамикой. Вместе с учением о строении вещества и химической кинетикой химическая термодинамика образует теоретическую основу всей современной химии. Она позволяет определять направление и полноту протекания самопроизвольных химических реакций, а также затраты энергии, необходимые для осуществления тех реакций, которые самопроизвольно идти не могут.

Термодинамические системы. В термодинамике оперируют понятием «система», определение которого приведено в предыдущей главе. Следует подчеркнуть, что объектом изучения термодинамики являются системы, которые состоят из большого числа частиц (молекул, атомов, ионов), их называют макроскопическими (от греч. makros — большой). Классическая термодинамика рассматривает систему в целом, не связывая ее свойства со свойствами отдельных частиц. В этом отношении ее дополняет статистическая термодинамика, применяющая методы теории вероятности для учета свойств отдельных микроскопических частиц, из которых состоят макроскопические системы, и объясняющая на этой основе свойства систем.

Наряду с уже упомянутыми в предыдущей главе открытыми и закрытыми системами химическая термодинамика рассматривает также изолированные (замкнутые) системы, которые не могут обмениваться с окружающей средой ни веществом, ни энергией (в виде теплоты или работы). Создать полностью изолированную от ее окружения систему практически невозможно. Однако хорошей моделью для нее служит содержимое термоса, надежно закрытого пробкой.

Различают гетерогенные (неоднородные) и гомогенные (однородные) системы. Гетерогенная система состоит из различающихся по составу или свойствам макроскопических частей, отделенных одна от другой поверхностями раздела. На этих поверхностях скачком изменяются одно или несколько свойств. Например, гетерогенную систему образуют содержащая множество растворенных солей морская вода и насыщенный водяными парами воздух над ней. На границе между водой и воздухом скачкообразно изменяются состав, плотность, электрическая проводимость, теплопроводность и ряд других свойств. В гомогенной системе нет поверхностей раздела, во всех своих точках она имеет одинаковые свойства. Примерами гомогенных систем являются газовые смеси и жидкие растворы.

Часть гетерогенной системы, характеризующаяся одинаковыми свойствами во всех своих точках и отделенная от других частей системы поверхностью раздела, называется фазой. Фаза может состоять как из одного, так и из нескольких веществ. Жидкие и твердые фазы называют конденсированными.