Физическая химия и химия силикатов

Министерство  образования и науки Украины

Харьковский государственный  технический университет строитель-

ства и архитектуры 

                                           

 

                                                                            Кафедра ФХМ та ТБМВ

 

 

 

        Курсовая робота

 

                                         Из дисциплины

                                          на тему:

 

 

Физическая  химия и химия 

 

силикатов

 

 

 

 

  Выполнила: Марущенко Дария

   студентка группы Т-21

                                                      Проверил: Сопов В.П.

 

 

                                          Харьков 2010  

Содержание 

 

 

Ведение…………………………………………………………….3

1.      Теоретическая часть………………………………………………..

1.1.      Предмет и метод химической термодинамики…………….

1.1.1.  Первый  закон термодинамики……………………… 

1.1.2.  Второй  закон термодинамики…………………….… 

1.1.3. Термохимия…………………………………………… 

1.1.4. Формулировки  закона Гесса…………………………. 

1.1.5. Формулировка  закона Кирхгофа………..……………. 

1.1.6.  Свойства  энтальпии……………………….………… 

1.2.      Расчетная часть………………………………..……………. 

1.3.      Итоги работы………………...……………………………….

 

                                                                    

Ведение

 

 

В результате химической реакции выделяется или поглощается энергия, так

как реакция  сопровождается перестройкой энергетических уровней атомов или 

молекул веществ, участвующих в ней, и веществ, образующихся в ходе реакции.

Реакции, при  которых наблюдается выделение  энергии, называются экзо-

 

 

термическими (Q>0).

Реакции, идущие с поглощением энергии, называются эндотермическими

(Q<0). Выделение  или поглощение энергии в результате  процесса зависит от со-

отношения количеств  энергии, затраченных на разрыв или  возбуждение химиче-

ских связей первоначально взятых веществ, и энергии, выделяющейся в резуль-

тате образования  новых химических связей в продуктах  реакции.

Величина энергии  отдельной химической связи очень  мала. Еѐ удобно вы-

ражать в  электронвольтах на атом. Поскольку  обычно в  реакциях участвуют отно-

сительно большие  количества веществ, то общие количества энергии получаются

 

также большие. Так, элементарный расчет показывает:

 

на 1 атом: 1эВ=1,6·10^-19Кл∙1В  = 1,6.10^-19 Дж,

 

на 1 моль: 1,6∙10^-19∙6,02∙10²³=9,65∙10⁴ Дж/моль = 96,5 кДж/моль.

 

Энергия, образующаяся в результате химических реакций, может  выделять-

ся в разных формах, но, конечно, в эквивалентных  количествах. Так, например,

фотохимические  процессы при фотографии развиваются  при поглощении квантов 

лучистой энергии  галидами серебра и, наоборот, можно построить источник коге-

рентного излучения—лазер, работающий на энергии химических реакций.

Затрачивая  электрическую энергию, можно выделять нужные вещества из

растворов или  расплавов путем электролиза, с  другой стороны, можно получить

энергию за счет химических реакций, протекающих в  гальванических элементах 

или аккумуляторах.

Чаще всего  в, результате химических реакций выделяется или поглощается 

тепловая энергия. Поэтому раздел химии, изучающий  энергию химических реак-

ций, исторически  стал называться термохимией, а изменение  энергии называется

тепловым эффектом химической реакции и измеряется в килоджоулях на моль

образовавшегося или сгоревшего вещества. Так как  в зависимости от условий, в 

которых протекает  химическая реакция, возможно выделение или поглощение ра-

боты расширения газов (p=const), то различают тепловой эффект реакции при 

 

 

                                                                    

(p=const) Qp и тепловой эффект реакции при (v=const) Qv, хотя разница между ни-

 

ми обычно невелика.

 

 

1.1.   Теоретическая часть

 

1.1.1. Предмет и метод химической термодинамики

 

 

Химическая  термодинамика использует законы термодинамики  применительно 

к химическим и  физико-химическим явлениям. Она рассматривает тепловой и энерге-

тический балансы  процессов, а также химические и  фазовые равновесия. Эти вопросы 

играют важную роль в ферментативной кинетике.

В термодинамике  совокупность исследуемых тел называется системой, а тела,

не входящие в нее, - внешним окружением. Рассматриваемые далее законы термоди-

намики применимы  только к закрытым системам. Закрытые системы обмениваются с

окружающей  средой только энергией, но не массой. Живые организмы представляют

собой открытые системы, способные обмениваться с окружающей средой массой и

при определенных условиях достигать динамического равновесия (стационарного со-

стояния), но не термодинамического (с максимумом энтропии, см. второй закон тер-

модинамики). В  термодинамически-равновесных системах нельзя наблюдать макро-

скопических изменений. Их внутренняя энергия минимальна, и они находятся в со-

стоянии полной беспорядочности. Живые системы  достигают термодинамического

равновесия  только после смерти, т. е. после полного  разложения всего организма. Все 

открытые системы вместе с их окружением образуют закрытую систему. При наличии

теплообмена и  возможности хотя бы частичной диффузии между телами, составляю-

щими систему, образуется термодинамическая система. Термодинамическая систе-

ма может  взаимодействовать со своим окружением, и это взаимодействие можно об-

наружить по переносу тепла или совершению работы. В том случае, когда взаимодей-

ствие системы  со средой полностью отсутствует, система  называется изолированной.

Если состояние  термодинамической системы остается неизменным и причиной этого

не является какой-либо внешний стационарный процесс, говорят, что система нахо-

дится в равновесии. Если система состоит из одной фазы, то она гомогенная, в про-

тивном случае - гетерогенная.

Термодинамические системы можно классифицировать по совокупности их

свойств. Экстенсивные свойства, такие как вес и объем, пропорциональны массе.

Интенсивные свойства, такие как температура, давление, не зависят от массы. Со-

стояние системы, находящейся в равновесии, можно описать совокупностью ее интен-

 

 

сивных свойств. Они называются термодинамическими параметрами состояния.

 

Термодинамические параметры системы описывают  только данное состояние, не учи-

тывая предшествующих. Следовательно, изменение параметров при переходе систе-

мы из одного состояния в другое не зависит  от пути реакции, а определяется только

термодинамическими  параметрами начального и конечного  состояний.

Масса и объем - это общепринятые термины. Давление характеризует взаимо-

действие с  внешним окружением, измеряемое как сила, приходящаяся на единицу

площади поверхности. Температура, которая определяется интенсивностью теплового 

движения молекул, образующих систему, не простое понятие, оно включает понятие 

разности теплот. Между телами различной температуры происходит теплоперенос,

приводящий  к выравниванию температур. Абсолютная шкала температур основана на

втором законе термодинамики; ее начало находится  при абсолютном нуле (-273,16о 

К). При абсолютном нуле часть энергии любого вещества, которая зависит от темпе-

ратуры (тепловая энергия), равна нулю, хотя энергия  частиц, составляющих вещество,

при нулевой  температуре, естественно, не исчезает. Любое изменение термодинами-

ческой системы, приводящее к изменению хотя бы одного термодинамического пара-

метра, называется термодинамическим процессом. Если при протекании термодина-

мического процесса система проходит равновесные состояния, то при данных услови-

ях работа, совершаемая  самой системой, будет максимальна, а работа, свершаемая

над системой, - минимальна. В таком случае говорят о равновесном процессе. И на-

оборот, процесс, протекающий при некотором ограниченном воздействии на систему,

определяется  как неравновесный. Работа, совершенная  такой системой, меньше, чем 

максимальная  работа в равновесном процессе.

Если единственным результатом обратного процесса в изолированной системе 

является возвращение  системы из конечного состояния  в исходное, то такой процесс 

называют обратимым. Если в результате прямой или обратной реакции в системе

или в ее окружении имеют место длительные изменения, то процесс называют необ-

ратимым. Причина необратимости в том, что процессы протекают через неравновес-

ные состояния. Термодинамические параметры однозначны только для обратимых 

процессов, когда  система находится в равновесии в любой момент времени и в каж-

дой ее части. Если вывести систему из состояния  устойчивого равновесия, то возник-

нет термодинамический  процесс, препятствующий внешнему воздействию (принцип 

Ле Шателье-Брауна).

 

                                 

 

 

                                                                    

1.1.1. Первый закон термодинамики 

 

 

Энергия не может быть получена из ничего, не может быть уничтоже-

на, а может только превращаться из одного вида в другой. Содержание энер-

гии (U) в данной системе увеличивается при совершении работы (А) или передаче те-

пла (Q):

ΔU = A + Q          (1.1)

В случае цикла, когда ΔU = 0,

A = - Q                (1.2)

Отсюда проистекает  невозможность создания вечного  двигателя первого рода.

Если над  системой не совершается никакой  работы, т. е. dU = dQ, то при равно-

весном давлении (ΔР = 0) для объема V можно определить новую функцию:

Н = U + PV   (1.3)

где Н - энтальпия (или, менее точно, теплосодержание). U и H - однозначные

функции состояния, т. к. их значения не зависят от того, каким образом система попа-

ла в рассматриваемое  состояние. В принципе, это и есть закон Гесса: теплота пре-

вращения не зависит от пути протекания процесса. Теплота превращения в экзотер-

мическом процессе - это отрицательная величина, т. к. положительным условно счи-

тается тепло, полученное системой. Протекающие в  живых организмах анаболические 

процессы представляют собой эндотермические реакции, а катаболические v экзо-

термические.

Из закона Лавуазье – Лапласа следует невозможность построить вечный

двигатель I рода, использующий энергию химических реакций.

 

1.1.2. Второй закон термодинамики 

Первый закон  термодинамики не выдвигает никаких  требований к направлению 

процессы в природе протекают в одном направлении, т. е. они необратимы. Необра-

тимость в термодинамике  означает, процессов,  происходящих  в  природе.  Однако  экспериментально  показано,  что  все

что процесс  не может идти в обратном направле-

нии без постоянного изменения энергии в окружающей среде. Следствием второго

закона является увеличение энтропии в природных  процессах. Энтропия выражается

следующим уравнением:

dS = dQ / T(1.4)

Дифференциальное  изменение энтропии равняется отношению  элементарного 

количества  теплоты к абсолютной температуре. Основываясь на втором законе тер-

 

 

                                                                    

модинамике, все  природные процессы, не противоречащие первому закону термоди-

 

намики, можно  разделить на две группы:

1.     самопроизвольные при данных условиях; 

2.      несамопроизвольные 

Невозможна  реакция, дающая только перенос тепла  от тела с более низкой

температурой  к телу с более высокой температурой. Это означает, что работа не мо-

жет быть выполнена исключительно за счет тепловой энергии окружающей сре-

ды, другими словами, невозможно создание вечного двигателя второго рода.  

При протекании обратимых реакций в изолированной  системе энтропия остает-

ся неизменной, в необратимых процессах она  возрастает. Если в результате необра-

тимого процесса изолированная система приходит в равновесие, то ее энтропия дос-

тигает  максимума.  Следовательно,  изменение  энтропии  определяет  направление 

процесса и  одновременно условия равновесия.

Принцип постоянства  или увеличения энтропии справедлив только для целост-

ной изолированной  системы. Реакции, сопровождающиеся понижением энтропии, мо-

гут протекать  в отдельных частях системы, тем  самым доказывая возможность  проте-

кания реакций  с понижением энтропии также и  в неизолированной системе. В изоли-

рованной системе  увеличение энтропии служит мерой необратимости  процесса. Жи-

вые организмы  сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию 

в виде пищевых  веществ (или солнечного света) из окружающей среды и возвращая в

нее такое же количество энергии в менее полезной форме, главным образом в форме 

тепла, которое  рассеивается во всей остальной Вселенной. Живые организмы непре-

рывно повышают энтропию в окружающей среде, и этим Вселенная расплачивается за