Почему протекают химические реакции?

Основные понятия химической термодинамики

Химические процессы могут протекать с изменением химического состава вещества (химические реакции) и без его изменения (фазовые переходы). Совокупность веществ, находящихся во взаимодействии и выделенных из окружающего пространства (мысленно) называется системой. Например: атом водорода (система из ядра и электрона), водный раствор различных солей и т.д.

В зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой различают: открытые или незамкнутые (происходит обмен теплом, энергией и веществом с окружающей средой), закрытые или замкнутые (происходит обмен теплом и энергией с окружающей средой, но нет обмена веществом) и изолированные (отсутствие массо- и теплопереноса между системой и окружающей средой) (рис. 1).

Рис. 1. Примеры закрытой (а), открытой (б) и изолированной систем (в).

Состояние системы определяется совокупностью ее свойств и характеризуется термодинамическими параметрами температурой, давлением и объемом (T, p, V). Любое изменение одного или нескольких параметров системы называется термодинамическим процессом. Так, повышение температуры приводит к изменению внутренней энергии системы (U).

Нельзя рассчитать или измерить абсолютное значение U. Возможно определить изменение внутренней энергии (ΔU) в результате какого-либо процесса. ΔU любой системы при переходе из одного состояния в другое не зависит от пути перехода, а определяется начальным и конечным положениями системы. Это означает, что внутренняя энергия системы — функция состояния.

ΔU = U₂ – U₁,

Где 1 и 2 – символы начального и конечного состояния системы.

Первое начало термодинамики: сообщенное системе тепло Q расходуется на приращение внутренней энергии и на совершение работы (А) против внешних сил:

Q = ΔU + A

Следует отметить, что А и Q не являются функциями состояния, т.е. не зависят от пути протекания процесса.

В термодинамике нередко вводят величины, которые тождественны сумме нескольких термодинамических параметров. Такая замена существенно облегчает расчеты. Так, функцию состояния, равную U + pV, называют энтальпией (Н):

H = U +pV

При постоянном давлении (изобарный процесс) и в отсутствии других работ, кроме работы расширения, теплота равна изменению энтальпии:

Q_p = ΔU + pΔV = ΔH

Если процесс идет при постоянном объеме (изохорный) и в отсутствие других работ, выделившаяся или поглотившаяся теплота соответствует изменению внутренней энергии:

Q_V = ΔU

Основы термохимии

Раздел химической термодинамики, изучающий теплоты химических реакций и их зависимость от различных физико-химических параметров, называют термохимией. В термохимии пользуются термохимическими уравнениями реакций, в которых указывают агрегатное состояние вещества, а тепловой эффект реакции рассматривается как один из продуктов. Например:

2H_2(g) + O_2(g) = H₂O_(g) + 242 кДж,

Что означает, что при образовании 1 моль воды в газообразном состоянии выделяется 242 кДж тепла. При этом изменение энтальпии ΔH = − 242 кДж.

Противоположные знаки Q и ΔH свидетельствуют о том, что в первом случае – это характеристика процессов в окружающей среде, а во втором – в системе. При экзотермическом процессе Q > 0, ΔH < 0, а при эндотермическом – наоборот.

Тепловые эффекты можно не только измерять, но и рассчитывать с помощью закона Гесса: тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянных p и V не зависит от числа промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы.

Следствия закона Гесса

Из закона Гесса есть 5 следствий:

1) Тепловой эффект образования 1 моль сложного вещества из простых веществ, при стандартный условиях, называется теплотой образования этого вещества – ΔH⁰_f. Так, например, ΔH⁰_f (CO₂) из С_(s) и O_{2(g )} будет равен −393,51 кДж.

2) Стандартные теплоты образования простых веществ равны нулю.

3) Стандартный тепловой эффект химической реакции (ΔH⁰) равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции (с учетом стехиометрических коэффициентов) и суммой теплот образования исходных веществ (с учетом стехиометрических коэффициентов):

ΔH⁰ = Σ ΔH⁰_f (продукты) − Σ ΔH⁰_f (реагенты)

Например, для реакции:

2H₂S_(g) + 3O_2(g) = 2SO_2(g) + 2H₂O_(aq)

ΔH⁰ = Σ (2 × ΔH⁰_f (SO₂) + 2 × ΔH⁰_f (H₂O)) – Σ (2 ΔH⁰_f (H₂S) +0)

4) Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов

5) С термохимическими уравнениями можно производить все алгебраические действия, например:

A= B + C + 400 кДж

B + D = A − 200 кДж

Сложив эти уравнения получим

A + B + D = B + C + A + 200 кДж

D = C + 200 кДж

ΔH⁰ = − 200 кДж

Энтропия. Направление химических процессов. Энергия Гиббса

Например, при испарении воды в условиях кипения (Т =373 К, р=1 атм) изменение энтропии равно ΔS = ΔH_исп/373 = 44000/373 = 118 кДж/(моль × К).

На основании о стандартной энтропии веществ (S⁰) можно рассчитать изменение энтропии различный процессов:

Δ_rS⁰ = Σ n_iS⁰ − Σ n_jS⁰,

где i – продукты реакции, j – исходные вещества.

Энтропия простых веществ не равна нулю.

Рассчитав Δ_rS⁰ и Δ_rH⁰ можно сделать вывод об обратимости реакции. Так, если Δ_rS⁰ и Δ _rH⁰ больше нуля или Δ_rS⁰ и Δ_rH⁰ меньше нуля, то реакция носит обратимый характер.

Существует функция, которая связывает изменение энтальпии и энтропии и отвечает на вопрос о самопроизвольности протекания реакции – энергия Гиббса (G).

ΔG = ΔH − Т × ΔS

Δ_rG⁰ = Δ_rH⁰ − Т × Δ_rS⁰

О направлении протекания химической реакции судят по величине Δ_rG⁰. Если Δ_rG⁰<0, то реакция идет в прямом направлении, а если Δ_rG⁰ > 0 – в обратном. С наибольшей вероятностью из 2х реакций будет протекать та, у которой меньше значение Δ _rG⁰.

Таблица 1. Условия самопроизвольности протекания химических реакций

Примеры решения задач