1 химическая термодинамика и химическое равновесие

ВВЕДЕНИЕ

 

Задачами дисциплины «Физическая химия» являются изучение фундаментальных основ учения о направленности и закономерностях протекания химических процессов и фазовых превращений, экспериментальных и теоретических методов исследования. Физическая химия является теоретической основой химической технологии неорганических и органических веществ и материалов, биотехнологии. Овладение физической химией немыслимо без приобретения навыка практического применения ее основных закономерностей и методов. Важное значение в освоении курса физической химии имеют расчеты физико-химических свойств веществ и систем, параметров физико-химических процессов.

Полученные знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений необходимы для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире.                            

После освоения материала учебного пособия обучающиеся смогут:

 - определять термодинамические характеристики химических реакций и равновесные концентрации веществ;

- использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные для решения профессиональных задач;

- вычислять тепловые эффекты химических реакций при заданной температуре в условиях постоянства давления или объема;

- рассчитывать константы равновесия химических реакций;

- определять направленность процесса и прогнозировать влияние различных факторов на равновесие в химических реакциях;

- устанавливать границы областей устойчивости фаз в однокомпонентных и бинарных гетерогенных системах;

- вычислять давления насыщенного пара над индивидуальным веществом;

- рассчитывать состав сосуществующих фаз в двухкомпонентных системах;

- рассчитывать потенциалы электродов и электродвижущие силы гальванических элементов;

- использовать кондуктометрические данные для определения степени и константы диссоциации слабых электролитов и рН растворов;

- рассчитывать дипольный момент и эффективный радиус молекул из их электрических свойств;

- использовать молекулярные спектры для определения молекулярных констант;

- определять термодинамические свойства методом статистической термодинамики;

- составлять кинетические уравнения в дифференциальной и интегральной формах для кинетически простых реакций и прогнозировать влияние температуры на скорость процесса;

- владеть методами определения констант скорости и энергии активации реакций различных порядков по результатам кинетического эксперимента.

В данном учебном пособии представлен теоретический материал для практических занятий и самостоятельной работы студентов по основным разделам дисциплин «Физическая химия» и «Дополнительные главы физической химии», приведены примеры решения задач и многовариантные индивидуальные задания. Дополнительно теоретический материал можно изучить в учебниках по физической химии, например, в учебном пособии [1].

За студентом закрепляется определенный вариант и подвариант. Задания выполняются в рекомендованной в пособии последовательности. Для выполнения заданий необходимы справочные данные, которые рекомендуется брать из «Краткого справочника физико-химических величин» под редакцией А. А. Равделя и А. М. Пономаревой [2]. Рекомендации студентам для успешного выполнения индивидуальных заданий представлены в Приложении.

1 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

 

Химическая термодинамика  – раздел физи­ческой химии, где изучаются взаимные превращения различных форм энергий в ходе химических реакций, а также определяется принципи­альная возможность, направление и предел самопроизвольного проте­кания процессов в заданных условиях.

Термохимия  – раздел химической термоди­намики, в котором объектом изучения являются тепловые эффекты процессов, теплоёмкости веществ и другие, связанные с ними величи­ны. Основная задача термохимии заключается в прямом или косвен­ном определении (путём измерений или вычислений) тепловых эффек­тов химических реакций и различных физико-химических процессов (например, фазовых, агрегатных превращений). Другой важной зада­чей термохимии является изучение теплоёмкости веществ. Экспери­ментальным методом термохимии служит калориметрия.

Термохимические данные и выявленные закономерности ис­пользуются для расчетов тепловых балансов химико-технологических процессов и выбора (сочетании с другими термодинамическими ха­рактеристиками) оптимальных условий их проведения. Термохимиче­ские исследования позволяют связать энергетические характеристики веществ с их составом, строением и реакционной способностью.

Термодинамическая система  – совокупность тел (веществ), находящихся во взаимодействии и отделенных от окружающей среды условной (воображаемой) или реальной границей (поверхностью раздела). В химической термодинамике рассмат­риваются только макроскопические системы, состоящие из очень большого числа частиц - поскольку только к этим системам применимы такие понятия как: температура, давление, теп­лота и некоторые другие. Взаимодействие системы с окружающей средой может происходить путём обмена энергией (механической, тепловой и др. ) и веществом.

Открытая система  – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

Закрытая система  – система, которая обменивается с окружающей средой только энергией. В такой системе отсутствует обмен веще­ством с окружающей средой.

Изолированная система  – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Состояние системы  – совокупность всех физических и химических свойств системы, таких как масса, объем, давление, температура, химический состав, и др.

Параметры состояния  – свойства системы, которых оказывается достаточно для однозначной характери­стики её состояния. Основные параметры состояния: температура (T), давление (p), объем (V), количество вещества (n), концентрации веществ (х, с) в системе. Для системы не обязательно знать все параметры состояния, если они взаимо­связаны.

Термодинамический процесс  – процесс, в котором происходит изменение параметров­ состояния системы.

Изотермический процесс  – процесс, протекающий при неизменной температуре (T = const).

Изобарный процесс  – процесс, протекающий при постоянном давлении (p = const).

Изохорный процесс  – процесс, протекающий при постоянном объеме (V = const).

Стандартные условия  – давление 101320 Па. Для термодинамических функций, стандартные условия указываются надстрочным индексом ^“0”. Например,

Обратимый (или квазистатический) процесс  - процесс, который осуществляется таким способом, что имеется возможность возвращения сис­темы в исходное состояние через те же самые промежуточные квазиравновесные состояния, которые он проходил в прямом направлении, и при этом ни в самой системе, ни в окружающей среде не останется никаких стойких изменений. Термодинамическое понятие обратимого процесса не связано с направлением реакции (процесса), оно лишь указывает на определенный способ проведения реакции (процесса).

Экстенсивное свойство  – свойство, которое зависит от количества вещества. Например, масса, объ­ём, теплоемкость, энтропия и т. д.

Интенсивное свойство  – свойство, которое не зависит от количества вещества. Например, плотность, удельная теплоёмкость и т. п.

Функции состояния  – термодинамические свойства системы, изменение которых при переходе из одного состояния системы в другое зависит только от её начального и конечного состояния и не зависит от пути (способа) перехода.

Функции процесса  – термодинамические свойства системы, изменение которых при переходе из одного состояния системы в другое зависит от пути (способа) перехода.

Внутренняя энергия   (U) – функция состояния, которая характеризует общий запас энергии системы и включает в себя все виды энергий движения и взаимодействия всех час­тиц, составляющих систему: атомов, ядер, электронов, молекул и др.

Работа (W) – макроскопическая форма передачи энергии от одной системы к другой, в форме кинетической энергии на­правленного (упорядоченного) движения частиц. Работа является функцией процесса.

Теплота   (Q) – микроскопическая, неупорядоченная, фор­ма передачи энергии хаотически двигающимися частицами. На­правление передачи теплоты определяется температурой. Теплота является функцией процесса. Понятия теплоты и работы применимы только к процес­сам, но не к состоянию системы.  

Тепловой эффект химической реакции  – количество тепла, которое выделяется или поглощается при необрати­мом проведении реакции в условиях, когда температуры исходных веществ и продуктов реакции одина­ковы, давление или объем постоянны (p = const или V = const).

Экзотермическая реакция  – реакция, идущая с выделением тепла.

Эндотермическая реакция  – реакция, идущая с поглощением тепла.

Идеальный газ  – газ, в котором взаимодействие между молекулами, а также их разме­ры по сравнению с расстояниями между частицами пренебрежи­мо малы. Идеальный газ - это предельное состояние реальных газов при бесконечно малом давлении. Термином «идеальный газ» обо­значается газ, свойства которого описываются законами иде­альных газов.

Уравнение состояния   – уравнение, связывающее параметры состояния. Для идеального газа параметры состояния связаны уравнени­ем Менделеева-Клапейрона:

 

(1. 1)

 

Теплоемкость системы  – отношение количества сооб­щенной системе теплоты к наблюдаемому при этом повыше­нию температуры. При этом предполагается, что нагревание не сопровожда­ется: химическими превращениями, переходом вещества из од­ного агрегатного или фазового состояния в другое, совершением полезной работы.

Средняя теплоемкость  ( ) – количество теплоты, необходимое для нагревания системы на один градус (Кельвин).

Истинная теплоемкость (C) – количество теплоты, необходимое для нагревания системы на бесконечно малую величину температуры. Истинная теплоемкость равна производной теплоты по температуре.

Изобарная теплоемкость (C_p)– отношение количества сооб­щенной при постоянном давлении (p = const) теплоты к наблюдаемому при этом повыше­нию температуры системы.

Изохорная теплоемкость (C_V)– отношение количества сооб­щенной при постоянном объеме (V = const) теплоты к наблюдаемому при этом повыше­нию температуры системы.

Удельная теплоемкость  – теплоемкость, рассчитанная на единицу массы вещества (кг или г).

Молярная теплоемкость  – теплоемкость, рассчитанная на единицу количества вещества (моль).

Начала термодинамики  – законы термодинамики, которые нельзя вывести из других более общих законов. Начала термоди­намики являются постулатами. Однако, их можно считать твер­до установленными фундаментальными законами природы, поскольку многовековой житейский, производственный и научный опыт человечества показал, что процессы, противоречащие этим постулатам, никогда не наблюдаются. На основании этих постулатов логическим путем выво­дятся многие другие закономерности, связывающие различные макроскопические свойства веществ.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: