При химических лабораторных исследованиях принято активно использовать термодинамические расчеты химических реакций. Они занимают очень важное место среди просчета всего химического эксперимента. Для этого необходимо воспользоваться рядом методов, которые позволяют сделать фундаментальные заключения о принципиальной возможности осуществления той или иной химической реакции, превращения в полезный новый компонент.
Рисунок 1. Закономерности протекания химических реакций. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Характеристики химических реакций в термодинамике
Подобные расчеты в термодинамике позволяют:
- предварительным способом определить наиболее удачные и приемлемые условия для проведения необходимого процесса;
- рассчитать на теоретическом уровне итоговый достижимый результат;
- создать состав продуктов, который необходим для проведения последующих опытов;
- просчитать энергетические эффекты от будущих реакций;
- сопоставить энергетические затраты и энергетический баланс.
Сначала система находится в некем предварительном, подготовительном состоянии. Затем после осуществления задуманных планов она превращается в конечное состояние. Оно является для системы принципиально новым и для этого были созданы все предпосылки в виде предварительных расчетов предполагаемой химической реакции. Подобное превращение принято называть реакцией, и они могут происходить при термодинамических процессах. При этом сам процесс называют физическим превращением.
Все изменения могут сопровождаться всевозможными энергетическими изменениями. Нередко выделяется или поглощается теплота. Термодинамическая система всегда находится в равновесном состоянии, когда на нее не воздействуют в постоянном режиме различные факторы внешнего мира. В это время могут фиксироваться несущественные колебания возле точки равновесия всей системы, а также протекать прямые и обратные химические реакции.
Энтальпия и энтропия реакции
Рисунок 2. Энтропия химической реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Существует несколько основных термодинамических характеристик:
- энтальпия реакции;
- закон Гесса;
- энтропия реакции;
- энергия Гиббса.
При энтальпии протекание химической реакции может сопровождаться изменением энергии системы. При этом не может определено с большой точностью абсолютное значение энергии. Такое противоречие возникает, когда невозможно привести систему в состояние, которое полностью лишено энергии. Определению подлежит только изменение энергии, которое достигается во время проведения реакции. Для этого можно начать отсчет от любого состояния системы. В этом случае присваивается на условном уровне значение энергии. Часто используют при его определении ноль.
Как правило, энергия всей термодинамической системы складывается из ряда составляющих, в том числе кинетической энергии движения и потенциальной энергии. Если в первом случае берутся показатели энергии в целом, то потенциальная энергия лежит в зависимости от положения системы в определенном внешнем поле при внутренней энергии.
Термодинамика химических процессов изучает любые неподвижные системы при полном отсутствии внешнего поля. В этом случае, полная энергия будет равна внутренней энергии. Теплота направляется на преодоление различных сопротивлений, которые препятствуют изменению состояния всей системы. Таким образом, совершается определенная работа. Известно, что полноценные химические превращения чаще всего протекают при постоянном объеме.
При энтропии характеризуется направление всего химического процесса. Ее определяют, как непрерывную и конечную функцию состояния системы с однозначным результатом. Энтропия определяется конечным и начальным состоянием изучаемой системы и не имеет прямой зависимости от пути агрегатного перехода вещества.
При энтропии процессы могут подразделяться на отрицательные – их еще называют не самопроизвольными и положительные – их называют самопроизвольными. Направление процесса определяется по знаку изменения энтропии. От его значения зависит многое в расчетах. Так расширение газа или его постепенное смешивание происходит без затраты дополнительной энергии, получаемой на стороне. Этим характеризуются самопроизвольные или отрицательные процессы. То же самое происходит при уменьшении давления.
Закон Гесса
Рисунок 3. Закон Гесса. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При изменении энтальпии реакции рождается отношение к системе, которая характеризуется конечным и начальным состояниями всей системы. Так звучит закон Гесса.
Из этого основополагающего правила реакций в термодинамике рождаются следующие принципы:
- теплота разложения соединения до определенных исходных веществ равна и противоположна по знаку теплоте образования соединения из этих веществ;
- теплота образования соединения из исходных веществ не зависит от способа получения этого соединения;
- в результате различных процессов от двух систем происходит образование продуктов, при этом разница между теплотой этих процессов должна быть одинаковой в процессе перехода одной системы в другую и обратно.
При осуществлении опытов все условия должны соответствовать определенным единым стандартам, чтобы достичь нужного результата. Термодинамические расчеты предполагают, что все продукты будут находиться в стандартных условиях начала и конца эксперимента. Устойчивое термодинамическое состояние определяется постоянным давлением в 0,1 МПа и температурой 298 К, что приблизительно равно 250 градусам по шкале Цельсия.
Следует несколько основных выводов из закона Гесса. Энтальпия химической реакции остается равной сумме энтальпий образования продуктов реакции. При этом необходимо вычитать сумму энтальпий исходных веществ. Во втором следствии энтальпия образования вещества будет равной, однако отличаться в противоположную сторону по знаку энтальпии его разложения.
Энергия Гиббса
Энергией Гиббса называют однозначную и непрерывную конечную функцию состояния системы. Все изменения в ней состоят в зависимости от пути перехода, а также определяется начальным и конечным состояниями системы.
