Общие вопросы химической технологии

3.1 Общие вопросы химической технологии

3.1.1 Термохимия

Термохимия — учение о тепловых эффектах химических реакций. Для решения задач по термохимии необходимо знать такие понятия, как тепловой эффект реакции, стандартная тепловой эффект образования вещества, стандартная тепловой эффект сгорания химического соединения, закон Гесса и следствия из него, возможность самопроизвольного протекания реакции, зависимость энергии Гиббса от температуры. Наиболее важным понятием химической энергетики является тепловой эффект химической реакции. Данные о тепловых эффектах применяются для определения строения и реакционной способности соединений, энергии межатомных и межмолекулярных связей, используются в технологических и технических расчетах. В основе термохимических расчетов по уравнениям реакций лежит закон сохранения и превращения энергии, или первое начало термодинамики. Сущность его состоит в том, что при всех превращениях энергия не возникает и не исчезает, а одни ее виды переходят в эквивалентные количества других видов. Количество выделившейся (поглощенной) теплоты в результате химической реакции называется тепловым эффектом реакции Q (при p-const Q_P или V-const Q_V) (измеряется в кДж). По тепловому эффекту химические реакции подразделяются на экзотермические (с выделением теплоты (+Q)) и эндотермические (с поглощением теплоты (-Q)). Существует величина обратная тепловому эффекту (записывается с противоположным знаком). Она характеризует внутреннюю энергию вещества и называется энтальпией (∆Н). Изменение энтальпии измеряют в кДж/моль, т.е. это то количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании 1 моль вещества из простых веществ. С термодинамической точки зрения принимают, что тепловой эффект при постоянном давлении и температуре равен изменению энтальпии ΔН. Передачу энергии при этом рассматривают как бы со стороны самой реакционной системы. Если система отдала энергию во внешнюю среду, величина ΔН считается отрицательной ΔН<0, если реакционная система получила энергию за счет внешней среды — величину ΔН считают положительной ΔН>0. Вычисление теплоты реакции по теплотам образования участвующих в ней веществ, производится на основании закона Гесса.

Закон Гесса: Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении и объеме не зависит от пути реакции (т.е. от промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы (т.е. состоянием исходных веществ и продуктов реакции (газ, жид., тв.)).

Δ_rН⁰₂₉₈ – стандартная энтальпия реакции (reaction), тепловой эффект реакции.

Δ_fН⁰₂₉₈ – стандартная энтальпия образования (formation) 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях (Т=298К или 25С, Р=1 атм.), на которые указывает знак «0», (кДж/моль).

Δ_сН⁰₂₉₈ – стандартная энтальпия сгорания (combustion) 1 моль вещества (до образования СО₂, Н₂О, и др. продуктов), (кДж/моль).

Следствие 1 из закона Гесса:

Тепловой эффект химической реакции равен разности между алгебраической суммой теплот образования продуктов реакции и алгебраической суммой теплот образования исходных веществ

Δ_rН⁰₂₉₈ =∑(n_j •Δ_fН⁰₂₉₈)_прод - ∑(n_i• Δ_fН⁰₂₉₈)_исх.

где, n_jи n_i– количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

Следствие 2 из закона Гесса:

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ минус сумма теплот сгорания продуктов реакции

Δ_rН⁰₂₉₈ =∑(n_i• Δ_сН⁰₂₉₈)- ∑(n_j• Δ_сН⁰₂₉₈)

где, n_i и n_j- количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

В химических реакциях может одновременно изменяется и энергия системы и ее энтропия, поэтому реакция протекает в том направлении, в котором общая суммарная движущая сила реакции уменьшается. Если реакция происходит при постоянном температуре и давлении, то общая движущая сила реакции называется энергией Гиббса (ΔG⁰) и направление реакции определяется ее изменением.

ΔG⁰_T=ΔH⁰_T – TΔS⁰_T

При стандартной температуре

ΔG⁰₂₉₈=ΔH ⁰₂₉₈– TΔS⁰₂₉₈

ΔG⁰₂₉₈ – стандартная энергия Гиббса, изменение энергии Гиббса при образовании 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях, (кДж/моль).

Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитывают по первому следствию из закона Гесса.

∆_rG ⁰₂₉₈= ∑(n_jΔ_fG⁰₂₉₈) _прод. -∑ (n_iΔ_fG⁰₂₉₈)_исход.

ΔS⁰₂₉₈ - стандартная энтропия 1 моль вещества в стандартном условиях, (Дж/К*моль). Энтропию можно характеризовать как меру беспорядка (неупорядоченности) системы. Эта величина характеризует изменение температуры в системе.

Δ_rS⁰₂₉₈ =∑ (n_jΔ_fS⁰₂₉₈) _прод. –∑(n_iΔ_fS⁰₂₉₈)_исход

где, n_jи n_i– количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

Δ_rS⁰₂₉₈ =∑ (n_iΔ_fS⁰₂₉₈) _исход –∑(n_jΔ_fS⁰₂₉₈)_прод

где, n_i и n_j- количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

Δ_rS⁰₂₉₈ – стандартная энтропия реакции, (Дж/К).

Δ_fS⁰₂₉₈ – стандартная энтропия образования химического вещества, (Дж/К*моль).

Знак « - » перед членом TΔS⁰₂₉₈ (энтропийным членом) ставится, для того чтобы при ΔH=0 сделать ∆G отрицательной величиной ΔG<0 – условие самопроизвольного протекания реакции.

Если пренебречь изменением ΔS⁰ и ΔН⁰ с увеличением температуры, то можно определить Т_равн, т.е. температуру, при которой устанавливается химическое равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов, т.е. из условия равновесия реакции ΔG=0 имеем 0=Δ_rH ⁰₂₉₈– TΔ_rS ⁰_298, отсюда

Следует знать:

Если ΔS=0 (ΔS>0), ΔH<0(ΔH=0) то ΔG <0 – реакция протекает самопроизвольно, процесс протекает в прямом направлении (энергетически выгоден).

Если ΔS=0(ΔS<0), ΔH>0 (ΔH=0) то ΔG>0 – протекание реакции невозможна, возможна только в обратном направлении (энергетически невыгоден).

Если ΔS=0, ΔH=0 ΔG=0 – система находится в состоянии равновесия.

Похожие работы

Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов

Скачать

100324

28

38

... принципа приближения и термодинамической обратимости к экстрактивной ректификации, с одной стороны, и выявить области оптимальности схем экстрактивной ректификации, с другой стороны. Постановка задачи Целью данной работы является разработка технологии разделения азеотропной смеси циклогексан – бензол – этилбензол методом экстрактивной ректификации, обладающей минимальными энергозатратами. Для ...

Использование моделирования в обучении решению задач в 5 классе

Скачать

63891

8

0

... , таблица). Метод моделирования позволяет активизировать познавательную деятельность учащихся на уроке.   2.2. Опытно – экспериментальная работа. Анализ ее результатов Изучив теоретические положения по использованию моделирования при решении задач в 5 классе, у автора возникло желание и интерес реализовать это на практике. Для того чтобы доказать или опровергнуть предположение, что ...

Педагогическая технология развития у учащихся направленности на диалогическое общение при групповой форме обучения на уроках физики при изучении темы "Основы электродинамики" в средней школе

Скачать

128127

10

22

... и дидактические основы организации обучения позволяют более доступно объяснять изучаемый материал на уроках физики при изучении темы «Основы электродинамики». Анализ различных технологий позволил составить авторскую технологию развития у учащихся направленности на диалогическое общение при групповой форме обучения. От того, на сколько правильно будет построен процесс обучения при использовании ...

Принцип межпредметных связей при решении химических задач. Разбор основных способов решения расчетных задач

Скачать

35798

0

3

... групп – в виде краткого отчета о проделанной работе (демонстрация рисунков, таблиц). Далее идет обсуждение выступлений; учитель продумывает со своими коллегами трудовое задание [1]. 1.1 Межпредметные связи при решении расчетных задач К изучению математики учащиеся средней школы приступают на 7 лет раньше, чем к изучению химии. За этот период обучения они приобретают значительный объем ...