Енергетика хімічних процесів

Хімічне перетворення це якісний стрибок, при якому зникають одні речовини і з'являються інші. Боротьба, що при цьому перебудова електронних структур атомів, іонів і молекул супроводжується виділенням або поглинанням тепла, світла, електрики і т.д. перетворенням хімічної енергії в інші види енергії.

Енергетичні ефекти хімічних реакцій вивчає термохімія. Дані про енергетичні ефекти використовуються для з'ясування спрямованості хімічних процесів, для розрахунку енергетичних балансів технологічних процесів і т.д. З їх допомогою можна розрахувати температуру горіння різних речовин і матеріалів, температуру пожеж тощо

Стан системи (речовини або сукупності розглянутих речовин) описують за допомогою ряду параметрів стану t, p, m. Для характеристики стану системи і що відбуваються в ній змін важливо знати також зміна таких властивостей системи, як її внутрішня енергія U, ентальпія Н, ентропія S, енергія Гіббса (ізобарно-ізотермічний потенціал) G. За зміною цих властивостей системи можна судити, зокрема, про енергетику процесів.

Хімічні реакції звичайно протікають при постійному обсязі V = const, V = 0 (наприклад, в автоклаві) або при постійному тиску p = const (наприклад, у відкритій колбі), тобто є відповідно ізохорно або ізобарно процесами.

Енергетичний ефект хімічного процесу виникає за рахунок зміни в системі внутрішньої енергії U або ентальпії H. Внутрішньої енергією системи називають енергію всіх видів руху і взаємодії тіл або частинок, що складають систему (кінетична енергія міжмолекулярної взаємодії, обертальна енергія, коливальний рух атомів і груп в молекулі, енергія взаємодії електронів між собою і з ядрами).

Припустимо, що деяка система за рахунок поглинання теплоти q переходить зі стану 1 в стан 2. У загальному випадку ця теплота витрачається на зміну внутрішньої енергії системи U і на здійснення роботи проти зовнішніх сил А: або.

Наведене рівняння виражає закон збереження енергії (який називається також першим законом термодинаміки), тобто означає що сума зміни внутрішньої енергії і досконалою системою (або над нею) роботи дорівнює повідомленої (або виділеної нею) теплоту. Так, якщо теплота повідомляється газу в циліндрі, закритому поршнем, то газ, по-перше, нагрівається, тобто його внутрішня енергія зростає, а по-друге, розширюється, тобто виробляє роботу підйому поршня А.

Взагалі, слід відзначити, що ні запасом теплоти, ні запасом роботи система не володіє. Система має лише запасом внутрішньої енергії, а теплота і робота показують, яким способом змінюється внутрішня енергія системи.

Для хімічних реакцій під роботою проти зовнішніх сил в основному мається на увазі робота проти зовнішнього тиску. У першому наближенні (при p = const) вона дорівнює добутку тиску р на зміну обсягу системи V при переході її зі стану 1 в стан 2:

При Ізохоричний процесі (V = const), оскільки зміни об'єму системи не відбувається, А = 0. Тоді переходу системи зі стану 1 в стан 2 відповідає рівність. Таким чином, якщо хімічна реакція протікає при постійному обсязі, то виділення або поглинання теплоти qv пов'язано зі зміною внутрішньої енергії системи.

При изобарном процесі (p = const) тепловий ефект qр дорівнює:

Тоді qp = H2 H1 = H.

Величину Н називають ентальпії. Ентальпію можна розглядати як енергію розширеної системи. Таким чином, якщо при Ізохоричний процесі енергетичний ефект реакції дорівнює зміні внутрішньої енергії системи. то в разі ізобарного процесу він дорівнює зміні ентальпії системи.

Хімічні та фізичні зміни в системі, як правило, супроводжуються виділенням і поглинанням теплоти. Найбільшу теплоту, яку можна отримати при хімічному процесі при даній температурі, називають тепловим ефектом процесу. Процеси в хімії, при яких теплота виділяється, називаються екзотермічні, а процеси, при яких теплота поглинається, - ендотермічними. Теплові ефекти екзотермічніреакцій в термохімії прийнято вважати позитивними, а ендотермічною функцій негативними. На відміну від термохіміі в хімічній термодинаміці, навпаки, позитивні значення приймаються для тепла (Q), поглиненого системою. З метою узгодити систему знаків, будемо тепловий ефект процесу позначати через Q і вважати, що

Q = -q, тобто QV = -U; QP = -H.

(У хімічній термодинаміці: q поглинається енергія - позитивна; q - віддається (яку випромінює) енергія негативна.)

Енергетичний ефект реакції, що протікає при постійному тиску, відрізняється від енергетичного ефекту реакції, що протікає при постійному обсязі, на величину pV. Для хімічного процесу, що протікає ізобаріческі, V являє собою різницю між сумою обсягів вихідних речовин і продуктів реакції. Так, для реакції, записаної в загальному вигляді:

зміна обсягу визначається рівністю

де VA, VB, ..., VD, VE ... - молярні об'єми речовин A, B, ..., D, E ...; Vпрод сума молярних об'ємів продуктів реакції; Vісх сума молярних обсягів вихідних речовин.

Слід зазначити, що переважна більшість хімічних реакцій відбувається при постійному тиску. Тому таких реакцій в подальшому буде приділено найбільшу увагу.

Теплові ефекти реакцій визначають як експериментально, т.