2. Внутрішня енергія і ентальпія системи. Робота. Теплота. Перший закон термодинаміки.

Хімічні реакції проходять з виділенням або поглинанням енергії. Зазвичай ця енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти. Звідки воно береться?

О точуючі нас тіла мають певний запас енергії. Ця енергія складається з енергії руху молекул, енергійного коливання атомів, енергійного руху електронів навколо ядра, енергійної взаємодії молекул між собою та ін. Всі перераховані види енергії складають внутрішню енергію системи U.

Абсолютне значення внутрішньої енергії не може бути виміряне, але дослідним шляхом можливо встановити зміну внутрішньої енергії (ΔU) при переході системи з одного стану в інший.

ΔU =U₂ - U₁

Так, якщо в системі відбувається хімічна взаємодія, яка супроводжується виділенням теплоти, то ΔU (зміна внутрішньої енергії) буде кількісно дорівнювати кількості енергії, яка виділяється. Внутрішня енергія системи при цьому зменшується.

Система може обмінюватись з зовнішнім середовищем речовиною і енергією у вигляді теплоти і роботи. Така система називається відкритою. Якщо цього обміну немає, то система ізольована.

Теплота є мірою енергії, яка передається від одного тіла до іншого за рахунок різниці температур. Ця форма передачі енергії пов’язана з хаотичним зіткненням молекул . Переносу речовини при цьому не відбувається.

Робота є мірою енергії, яка передається від одного тіла до іншого за рахунок переміщення мас під дією яких-небудь сил.

Теплоту і роботу вимірюють у джоулях та кілоджоулях.

18

Перший закон термодинаміки В любому процесі працює закон збереження енергії, що виражається рівністю

Q= ΔU +А ,

яке означає, що теплота, підведена до системи, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії ΔU і на виконання системою роботи А над зовнішнім середовищем. Це рівняння є математичним виразом першого закону термодинаміки.

З цього закону витікає, що ΔU= Q –А ;

Оскільки величини Q та А можна виміряти, то за допомогою цього рівняння можна порахувати значення ΔU .

Більшість реакцій відбуваються при постійному тиску. Тому в подальшому ми будемо більшу увагу приділяти ізобарним процесам і оцінювати енергетичний ефект реакції зміною величини ентальпії системи.

Так само, як і значення внутрішньої енергії , так і абсолютне значення ентальпії виміряти неможливо, але можливо знайти зміну ентальпії ΔН при переході системи із одного стану в інший. Для ендотермічних процесів ΔН має позитивний знак, якщо ентальпія системи зростає. Для екзотермічних процесів ΔН має негативний знак, якщо ентальпія системи зменшується.

3. Тепловий ефект хімічної реакції.Від чого залежить запас внутрішньої енергії речовин? Давайте поміркуємо. Як ви вважаєте , чи однакову енергію треба затратити, щоб нагріти 1 моль води чи 5 моль води? В якому стані (рідкому чи газоподібному) кисень буде більш реакційно здатний?

1) Для нагрівання 5 моль води потрібно витратити більше енергії, отже - вода, кількістю речовини 1 моль має менший запас енергії, ніж вода, кількістю речовини 5 моль.

2) кисень у рідкому стані має менший запас енергії, ніж в газоподібному.

Висновок: запас внутрішньої енергії залежить від складу речовин, кількості речовини, його агрегатного стану, а також температури.

Головною ознакою хімічного перетворення є утворення нових речовин у результаті руйнування старих і утворення нових зв’язків між атомами. Перетворення одних речовин в інші супроводжується зміною внутрішньої енергії. Наприклад, горіння магнію (тепло виділяється); розклад води за допомогою електричного струму (енергія витрачається).

19

Кількість теплоти, яка виділяється або поглинається системою реагуючих речовин при хімічних реакціях називається тепловим ефектом реакції.

Тепловий ефект реакції суттєво залежить від стану (твердий, рідкий, газоподібний) тому в термохімічних рівняннях для кожного з речовин вказують її агрегатний стан або модифікацію.

Наприклад, твердження, що для відновлення 1 моль СО₂ до СО в стандартних умовах потрібно витратити 172, 58 кДж, має зміст лиш у випадку коли С _{(графіт)} + СО_{2 (г)} = 2СО_(г) - 172, 58 кДж

С _(т) + O_2(Г) = СO_2(г) + 420 кДж

5. Термохімічні рівняння/Рівняння хімічних реакцій, в яких внесені значення теплового ефекту (зміна ентальпії) називаються термохімічними рівняннями.Хімічні реакції, які супроводжуються виділенням теплоти, називаються екзотермічними.

реагенти

продукти реакції

+

енергія

Хімічні реакції, які супроводжуються поглинанням теплоти, називаються ендотермічними.

реагенти

продукти реакції

-

енергія

Таким чином, якщо тепловий ефект реакції є важливим енергетичним показником перетворень, то його необхідно ввести в рівняння хімічної реакції.

Згадайте, в яких одиницях вимірюється кількість теплоти?

За допомогою якого приладу можна виміряти тепло, що виділяється під час хімічної реакції?

Визначте, яка з наведених реакцій є екзотермічною, а яка ендотермічною?

СаО_(т) + СО_2(Г) = СаСО_{3 (т)}+ 180 кДж ;

3О_2(г) = 2О_{3 (г)} – 289 кДж.

Зміна ентальпії системи ΔН буде позитивною, якщо енергія системи зростає і негативною, якщо вона зменшується. Таким чином, для процесів:

СаО_(т) + СО_2(Г) = СаСО_{3 (т)}+ 180 кДж ; ΔН= -180 кДж;

3О_2(г) = 2О_{3 (г)} – 289 кДж; ΔН= + 289 кДж;

Схема енергетичних перетворень при екзотермічному процесі

Внутрішня енергія вихідних речовин	а) реакція відбувається без нагрівання	Енергія, що виділяється
	б) умова реакції - нагрівання тільки на початку реакції	Внутрішня енергія продуктів реакції

Н₁ > Н₂ ΔН = Н₂ - Н₁ ΔН < 0 20

Схема енергетичних перетворень при ендотермічному процесі

Енергія, що поглинається	умова реакції - довготривале нагрівання	Внутрішня енергія продуктів реакції
Внутрішня енергія системи вихідних речовин

Н₁ < Н₂ ΔН = Н₂ - Н₁ ΔН > 0