Термохимия

После прочтения статьи Вы узнаете, в какую сторону направлена реакция, что составляет внутреннюю энергию системы и что такое энтальпия

Термохимия - это раздел физики и химии, изучающий тепловые явления при химических реакциях и физико-химических процессах.

Направление химической реакции

Направление химической реакции определяется свободной энергией Гиббса, которая будет описана ниже. Любой процесс может происходить сам по себе, а может требовать приложения внешних сил, например, если Вы отпустите книгу - она упадёт, это естесственный процесс, ожидать самопроизвольного поднятия книги в обычных условиях не представляется возможным. Так и химические реакции, в нормальных условиях протекают в одну сторону, а в определённых условиях могут протекать в обратную, например, реакция натрия и хлора в нормальных условиях (25° и 1 атм.) протекает слева направо:

2Na + Cl₂ → 2NaCl (1)

Следующая реакция в тех же условиях происходить не будет:

2NaCl → 2Na + Cl₂ (2)

Но! можно создать условия, в которых реакция (2) будет протекать, а реакция (1) нет, например, если пустить ток через подогретый хлорид натрия.

Изучением преобразования энергии занимается термодинамика, термодинамика, занимающаяся решением задач химии называется термохимией.

Внутренняя энергия системы

Внутренняя энергия системы это сумма потенциальной и кинетической энергий каждой из частиц системы. Термодинамика описывает макроскопические системы, т.е. не поведение молекул, а поведение некоторой системы, система - это "часть вселенной, выделенная для её (системы) изучения в удобной форме". Солнце, дерево или чашка - это примеры системы. Всё, что не входит в систему называется окружающей средой. Энергия внутри системы может изменяться различными способами, например:

Теплота q

При контакте системы с окружающей средой происходит теплообмен, тепло от более нагретого тела переходит к менее нагретому. Так, система отдаёт или принимает теплоту, изменение энергии системы равно разнице принятой и отданной энергии: ΔE = q_in - q_out = E₁ - E₂. Если рассматривать комнату как систему, то через батарею тепло q_in поступает в комнату и через окно, стены, пол, потолок и двери тепло q_out уходит.

Работа W

Если мы будем нагревать газ в резиновом шарике, то часть тепла будет расходоваться на увеличение шара, такой расход энергии называется работой. Любое действие против внешних сил является работой. Работа обозначается знаком минус, поскольку работа - это потеря энергии.

Таким образом, изменение энергии системы - это полученное тепло за вычетом совершённой работы:

ΔE = q - w

Энтальпия H

Энтальпия - это функция состояния системы, показывающая количество теплоты, которым обладает система. В любом процессе происходит поглощение или выделение теплоты, так, если в результате реакции теплота выделяется, то реакция называется экзотермической. Если в процессе реакции теплота поглащается, то процесс называется эндотермическим. Стандартная энтальпия образования (H^o_f) - это величина, показывающая изменение энтальпии в процессе образования вещества из простых составляющих, например, при образовании одного моля оксида алюминия Al₂O₃ из алюминия Al и кислорода O поглащается 400,5 ккал. Измеряют количество выделенного/поглощённого вещества с помощью специального устройства - калориметра.

2Al + 3O → Al₂O₃

Общее изменение энтальпии складывается из разницы энергии выделенной/поглощённой при разрыве связей реагентов и выделенной/поглощённой энергии при создании связей продуктов:

Закон Гесса:
ΔH_o = ΣΔH^o_{f продукты} - ΣΔH^o_{f реагенты}

Закон Гесса формулируется так: тепловой эффект химической реакции, проводимой при постоянных температуре и давлении или постоянном объёме и температуре, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Стандартная энтальпия образования замеряется в лабораторных условиях, данные можно найти в различных справочниках.