Шпаргалки к экзаменам и зачётам

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

 

Химическая термодинамика

Внутренняя энергия системы. Теплота и работа. Первое начало термодинамики. Закон Гесса. Тепловой эффект реакции.

Внутренняя энергия системы (экстенсивное свойство).

 

Внутренняя энергия системы - энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело (совокупность всех видов энергии частиц в системе).

Внутренняя энергия тела не зависит от положения тела относительно других тел и от скорости движения тела, от природы в-ва, его массы и параметров состояния сис-мы.

Внутренняя энергия слагается:

- из энергии хаотического движения молекул;

- из потенциальной энергии атомов, образующих молекулу или кристаллическую структуру;

- из внутриатомной энергии и т.д.

Внутренняя энергия тела может проявляться в форме теплоты или в форме работы, совершаемой телом.

Совокупность физических тел, изолированную от взаимодействия с другими телами, называют изолированной термодинамической системой. Состояние системы описывается с помощью параметров системы . К параметрам относятся объем V, температура Т. давление р, а также электрическая поляризация, намагниченность и др. При взаимодействии системы с внешними телами ее параметры изменяются. Уравнение, которое связывает между собой объем, температуру и давление называют уравнением состояния f = (p, V, T)=0. Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии хаотичного теплового движения составляющих его частей (атомов или молекул) и потенциальнойэнергии их взаимодействия. Кинетическая и потенциальная энергия тела, как целого , во внутреннюю энергию не входит.

Теплота и работа.

Внутренняя энергия идеального газа определяется формулой

где i- число степеней свободы молекулы.

Теплота – это форма передачи энергии от одной части системы к другой. Мера – количество теплоты. Теплота связана с процессом, а не с состоянием системы и не является функцией состояния, зависит от пути процесса.

Первый способ передачи энергии (обмен энергии в виде тепла) реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путём обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел. При этом энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, т.е. от тела, имеющего большую среднюю кинетическую энергию молекул, к телу с меньшей кинетической энергией молекул. Поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне, без видимого движения тел, то её называют микрофизической формой передачи энергии. Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называют количеством теплоты, или просто теплотой.

Второй способ – Обмен энергией м/у сис-мой и внешней средой обуславливается работой, совершаемой системой или над системой.Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объём под действием внешнего давления. Иначе говоря, в этом случае передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. Поэтому второй способ будет макроскопической формой передачи энергии. Этот способ называется передачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии в процессе - работой.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом важно отметить, что в различных термодинамических процессах, в зависимости от условий их протекания, количество теплоты и работы будет также различно.

Следовательно, теплота и работа являются функциями процесса, а не состояния.

Энтальпия (Н) - термодинамическая функция, являющаяся функцией состояния как и внутренняя энергия (U). Ее величина определяется из простого соотношения:

Н = U + pV, (1.5)

где р - давление;

V - объем системы.

При рассмотрении процессов, происходящих в изохорических условиях удобно пользоваться внутренней энергией, а при рассмотрении изобарных процессов - энтальпией.

 

 

 

Первое начало термодинамики.

 

Это частный случай закона сохранения энергии в Макросистемах.

1) Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

2) Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии систем , в которых основное значение имеют тепловые процессы. Количество теплоты , переданное системе , расходуется на изменение ее внутренней энергии и на работу , совершаемую системой против внешних сил. Q=ΔU+A

Первое начало термодинамики устанавливает эквивалентность теплоты и работы . Если система совершает цикл и возвращается в исходное состояние (Δ U), то Q=A. Таким образом, работа может быть совершена системой за счет переданного ей количества теплоты.

Из этого закона вытекает – невозможность создания вечного двигателя первого рода, который производил бы работу, не затрачивая на это энергии.

Закон Гесса.

Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания (промежуточных состояний системы).

Иными словами, количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при каком-либо процессе, всегда одно и то же, независимо от того, протекает ли данное химическое превращение в одну или в несколько стадий (при условии, что температура, давление и агрегатные состояния веществ одинаковы).

В основе термохимии лежит закон, согласно которому тепловой эффект реакции не зависит от пути этой реакции, а определяется видом и состоянием исходных и конечных продуктов реакции.

Гесс Герман Иванович (1802 – 1850 г. г.) – русский химик, академик Петербуржской Академии наук.

Существо закона вытекает из уравнения первого начала термодинамики:

Q_V = -V, а Q_P = -H.

U и Н – функции состояния, поэтому Q_V и Q_P также функции состояния системы.

Иллюстрация закона Гесса.

C + O₂ = CO₂ + Q₁, (3.13)

есть первый вариант реакции в системе.

C + O₂ = CO + Q₂,

CО + O₂ = CO₂ + Q₃, (3.14)

второй возможный вариант реакции.

Так из одинакового исходного состояния образуется одинаковое для рассмотренных вариантов конечное состояние, то:

Q₁ = Q₂ + Q₃. (3.15)

Закон Гесса имеет огромное практическое значение. С его помощью устанавливаются значения тепловых эффектов реакций, экспериментальное определение которых затруднительно.

Для этих целей широко используются следствия из закона Гесса.

 

 

 

Следствия из закона Гесса

I следствие. Тепловой эффект реакции разложения какого-либо химического соединения равен по абсолютной величине, но противоположен по знаку тепловому эффекту реакции образования этого соединения.

II следствие. Если совершаются две реакции, приводящие из различных исходных состояний к одинаковым конечным, то разница между тепловыми эффектами реакций представляет собой тепловой эффект перехода из одного исходного состояния в другое.

III следствие. Если совершаются две реакции, приводящие из одинаковых исходных состояний к различным конечным, то разница их тепловых эффектов есть тепловой эффект реакции перехода из одного конечного состояния в другое.

IV следствие. Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования конечных и исходных продуктов реакции с учетом коэффициентов перед химическими формулами этих продуктов в уравнении химической реакции.

В аналитической форме записи:

, (3.16)

 

где Q – тепловой эффект химической реакции;

- теплоты образования конечных и исходных продуктов реакции соответственно.

 

Теплота образования – тепловой эффект химической реакции образования данного вещества (продукта химической реакции) из простых, устойчивых в данных условиях. Стандартной теплотой образования называют теплоту образования, отнесенную к температуре 298 К и давлению 1,01 * 10⁵ Па. Если известна эта величина, то термохимический расчет позволяет определить теплоту образования и при других значениях параметров состояния.

V следствие. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных и конечных продуктов химической реакции с учетом коэффициентов у химических формул этих веществ в уравнении химической реакции.

В аналитической форме записи:

, (3.17)

 

где - теплоты сгорания конечных и исходных продуктов реакции соответственно.

 

Теплота сгорания – тепловой эффект реакции сгорания 1 моля вещества в атмосфере чистого кислорода до образования высшего оксида.

Теплота сгорания существенно зависит от температуры, поэтому для термохимических расчетов вводится некоторая точка отсчета – стандартная теплота сгорания. Стандартной теплотой сгорания называется теплота сгорания, отнесенная к стандартным условиям, т. е. к 298 К и р = 1,01*10⁵ Па.

VI следствие. Теплота растворения.

Теплотой растворения называется количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при растворении 1 моля вещества в таком количестве растворителя, при котором его дальнейшее добавление к раствору уже не вызывает изменение температуры последнего.

В этой связи табличные значения теплот относятся к раствору 1 моля растворяемого вещества в 200 – 400 молях растворителя.

Теплота растворения (q) – сумма двух слагаемых:

q = q₁ + q₂, (3.18)

где q₁ – теплота, затрачиваемая на перевод вещества из обычного состояния в то, в котором оно находится в растворе;

q₂ – теплота взаимодействия частиц растворителя с частицами растворенного вещества (теплота сольватации или гидратации, если растворитель вода).

VII следствие. Теплота плавления и испарения.

Процессы плавления и испарения всегда эндотермические процессы, т. к. на их реализацию необходимо затратить значительную энергию на разрушение данного порядка в структуре вещества.

Между теплотой испарения () и температурой кипения (Т_Е) существует взаимосвязь:

, (3.19)

определяемая как правило Трутона.

Существует такая же взаимосвязь для теплоты плавления () и температуры плавления (T_S):

, (3.20)

 

называемая правилом Ричардса.

VIII следствие. Теплота нейтрализации.

Реакция нейтрализации – реакция между щелочами и кислотами. В ее основе лежит процесс нейтрализации ионов водорода (Н⁺) ионами гидроксида (ОН^-), приводящий к образованию молекул воды. Следовательно, тепловой эффект всех подобных реакций должен быть одинаков, что и показали точные опыты.

Теплота нейтрализации примерно равна 57,08 кДж/моль, если в реакции участвует одноосновная кислота

 

 

Тепловой эффект реакции

 

Тепловой эффект - количество теплоты, выделившееся или поглощенное химической системой при протекании в ней химической реакции.

Тепловой эффект обозначается символами Q или ΔH (Q = –ΔH). Его величина соответствует разности между энергиями исходного и конечного состояний реакции:

ΔH = Hкон. – Hисх. = Eкон. – Eисх.

Реакции, протекающие с выделением теплоты, проявляют положительный тепловой эффект (Q > 0, ΔH < 0) и называются экзотермическими.

Реакции, которые идут с поглощением теплоты из окружающей среды (Q 0), т.е. с отрицательным тепловым эффектом, являются эндотермическими.

В ходе реакции происходит разрыв связей в исходных веществах и образование новых связей в продуктах реакции. Поскольку образование связи идет с выделением, а ее разрыв - с поглощением энергии, то химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами. Энергия выделяется, если рвущиеся связи в исходных веществах менее прочны, чем связи, образующиеся в продуктах реакции, в противном случае - энергия поглощается. Обычно энергия выделяется и поглощается в форме теплоты, т.е. химическая форма энергии преобразуется в тепловую. Таким образом, химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами.

 

Тепловой эффект реакции при постоянном объеме и постоянном давлении. Теплоты образования веществ из элементов.

 

При протекании хим. Реакций происходит перестройка электронных оболочек реагентов, в рез. Чего могут рваться старые хим. связи и образовываться новые. Т. к. для разрыва хим. связей в исходных в-вах потребуется затратить определенную энергию, а при образовании связей в продуктах реакции она будет выделяться, то протекание рекации сопровождается изменением энергии системы. Если при при протекании химической реакции отсутствуют другие виды работы, кроме работы расширения системы, то Q=ΔU+₁∫² PdV

Обычно хим. реакции проводятся при постоянном объеме или давлении. При постоянном объеме Q=ΔU_V, а при постоянном давлении Qp=ΔH=ΔUp+PΔV/

Объем (давление) системы должен оставаться постоянным на всем пути от начала процесса до его завершения, только при этих условиях будут справедливы полученные уравнения. Для идеальных газовых смесей вн. энергия не зависит ни от объема, ни от давления (ΔUv= ΔUp), а для реальных газовых систем при высоких давлениях можно принять ΔUv≈ ΔUp.

Теплота Qp=ΔH=ΔUp+PΔV – тепловой эффект при постоянном давлении.

Под тепловым эффектом хим. р-ции понимают количество теплоты, которое выделяется или поглощается в условиях а) процесс протекает необратимо при постоянных объеме и давлении; б) в системе не совершается никаких работ, кроме расширения системы; в) продукты реакции имеют ту же температуру, что и исходные вещества. Тепловой эффект реакции не зависит от пути процесса (промежуточных стадий), а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Комбинируя ур-я получаем: Qp-Qv= PΔV. Отсюда вытекает, что разность тепловых эффектов при постоянном давлении и постоянном объеме равна работе, которая совершается системой (ΔV>0) или над системой (ΔV<0) за счет изменения ее объема при завершении изобарно-изотермических реакций. При изохорном процессе вся теплота, подводимая или отводимая от рабочего тела, расходуется на изменение внутренней энергии.

 

Теплоты образования веществ из элементов.

Теплота любой реакции (даже пока не осуществленной на практике) может быть вычислена как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции.

Принято использовать теплоты образования соединений из чистых элементов в стандартных условиях. Такие стандартные условия чаще называют стандартным состоянием веществ:

1. Для твердых, жидких и газообразных веществ стандартное состояние определяется как наиболее распространенная форма элемента при 25 оС (298 К) и давлении 1 атмосфера (1 атм).

2. Теплота образования чистых элементов по определению равна нулю.

Во многих случаях эти реакции протекают при постоянном объеме или постоянном давлении. Из первого закона термодинамики следует, что при этих условиях теплота является функцией состояния. При постоянном объеме теплота равна изменению внутренней энергии:

а при постоянном давлении - изменению энтальпии: Эти равенства в применении к химическим реакциям составляют суть закона Гесса:

Из закона Гесса можно сформулировать два полезных следствия:

1. Тепловой эффект реакции равен алгебраической сумме теплот

образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования

исходных веществ, т.е.

∆H = ∑ ∆H f − ∑ ∆H f . (3)

продукты исходн.

2. Тепловой эффект реакции равен алгебраической сумме теплот сгорания

исходных веществ за вычетом суммы теплот сгорания

продуктов реакции, т.е.

∆H = ∑ ∆H сгор. − ∑ ∆H сгор. . (4)

исходн. продукты

Закон Гесса дает возможность устанавливать тепловые эффекты реакций,

которые невозможно или трудно осуществить в экспериментальных условиях.

 

 

 

Методы определения теплот образования.

1 Очень часто по тем или иным причинам тепловой эффект реакции не может быть определен непосредственно. В таких случаях его вычисляют из тепловых эффектов, непосредственно определенных для нескольких реакций, подобранных таким образом, чтобы, если бы они были произведены последовательно, то в результате получилось бы то превращение веществ, тепловой эффект которого требуется определить.

2) Для вычислений тепловых эффектов всевозможных реакций с помощью имеющихся уже термохимических данных пользуются расчетом по теплотам образования сложных веществ из элементов. Расчет производится на основании правила: тепловой эффект реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования веществ до реакции.

3) Основным экспериментальным методом термохимии является калориметрия. Чрезвычайно большое количество различных типов калориметров может быть отнесено к двум видам: калориметры с переменной температурой и калориметры с постоянной температурой. Все калориметры состоят из двух основных частей - калориметрической системы и калориметрической оболочки.

Расчет тепловых эффектов реакций с помощью средних энергий связей.

3. Теплоемкость идеального газа. Поступательная, вращательная и колебательная теплоемкости. Теплоемкость твердого тела. Уравнение Эйнштейна. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры.

Теплоемкость идеального газа.

Из молекулярно-кинетической теории следует, что кинетическая энергия (W_К) 1 моля идеального газа равна:

, (2.10)

где N_A - число Авогадро, равное 6,02 10²³ Дж/К.

Учитывая, что можно получить:

. (2.11)

 

Используя соотношение (2.8):

. (2.12)

 

Уравнения (2.11) и (2.12) представляют закон Дюлонга - Пти для идеальногогаза.

Если идеальный газ одноатомный, то i = 3 и тогда:

. (2.13)

 

Для двухатомного газа i = 5 и тогда:

. (2.14)

 

В случае трехатомного газа i = 6, поэтому:

С_V = 3R; С_Р = 4R.

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Теплоёмкость тела (обозначается C) — физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты ΔQ, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры ΔT.

Теплоемкость идеального газа - это отношение тепла, сообщенного газу, к изменению температуры δТ, которое при этом произошло.

Молярная теплоемкость - теплоемкость 1 моля идеального газа.

δQ = νCΔT

Для идеальных газов вн. энергия не зависит от объема и давления и ур-е – Ср–Сv=Р [dV/dР]р

Ср–Сv=R.

Для реальных газов Ср–Сv>R, и чем выше давление газа, тем больше будет разность теплоемкостей отличаться от R/

Для

Теплоемкость идеального газа в процессах

Адиабатический

В адиабатическом процессе теплообмена с окружающей средой не происходит, т.е. δQ=0. Следовательно, теплоемкость идеального газа в адиабатическом процессе также равна нулю: Садиаб=0.

Изотермический

В изотермическом процессе постоянна температура, т.е. dT = 0. Следовательно, теплоемкость идеального газа стремится к бесконечности:

Изохорический

В изохорическом процессе постоянен объем, т.е. δV = 0. Элементарная работа газа равна произведению изменения объема на давление, при котором происходит изменение (δA = δVP). Первое Начало Термодинамики для изохорического процесса имеет вид:

dU = δQ = CVΔT

А для идеального газаТаким образом, где i - число степеней свободы частиц газа.

Изобарический

В изобарическом процессе (P = const):

δQ = dU + PdV = νC_VΔT + νRΔT = ν(C_V + R)ΔT = νC_PΔT

Теплоемкость, так же как и количество переданной телу теплоты, зависит от того, каким образом, а точнее при осуществлении какого процесса, теплота передавалась этому телу.

Если в процессе изменения состояния идеального газа теплоёмкость его не изменяется, то такой процесс называется политропическим. Частными случаями политропического процесса являются рассмотренные ранее изопроцессы, протекающие при постоянных значениях температуры, давления или объема.

Поступательная, вращательная и колебательная теплоемкости.

Микрочастицы (молекулы, атомы), из которых состоит газ, могут совершать, в общем случае, три типа движений: поступательное , вращательное , колебательное .

Атом как материальная точка может совершать только поступательное движение в трех направлениях (три степени свободы - i=3).

Как показано в молекулярно-кинетической теории на каждую поступательную или вращательную степень свободы каждой микрочастицы приходится энергия равная (1/2)kT (закон равномерного распределения энергии по степеням свободы). Таким образом, для одного моля газа (число микрочастиц равно числу Авогадро N), внутренняя энергия газа:

U=i(1/2)kTNА=(i/2)RT

Вращательная теплоемкость многоатомных газов. Свободную энергию многоатомного газа, как и двухатомного, можно представить в виде суммы трех частей — поступательной , вращательной и колебательной . Поступательная часть характеризуется теплоемкостью и химической постоянной, равными: ,

Колебательная часть термодинамических величин газа становится существенной при значительно более высоких температурах, чем вращательная , потому что интервалы колебательной структуры термов велики по сравнению с интервалами вращательной структуры.

Вычисление теплоемкости сводится к вычислению средней энергии теплового движения отдельных молекул, которое складывается из поступательных и вращательных движений молекулы как целого и из колебаний атомов внутри молекулы. Молярная теплоемкость одноатомного газа равна 3R/2 (по R/2 на каждую степень поступательного движения молекулы). Теплоемкость многоатомного газа в общем случае может быть представлена суммой вкладов от отдельных видов движения - поступательного , вращательного , колебательного .

Поступательная теплоемкость рассчитывается так же, как для одноатомного газа. Вращательная и в особенности колебательная теплоемкости должны, как правило, вычисляться на основе квантовой статистики. Согласно классической статистике, вклады в молярную теплоемкость в расчете на одну степень свободы равны: для вращательного движения R/2, для колебательного движения R. Для большинства молекул при низких и средних температурах колебательные степени свободы вырождены и не дают вклада в теплоемкость Например, теплоемкость двухатомного газа при обычных температурах равна 5R/2. Лишь при достаточно высоких температурах возбуждаются колебания определенной частоты.

Теплоемкость твердого тела.

Твердое тело можно представить в виде огромной молекулы, состоящей из отдельных атомов. Число атомов в 1 моле равно N_A, тогда общее число степеней свободы – 3 N_A и выражение для расчета теплоемкости принимает следующий вид:

, (2.16)

причем С_V С_Р.

Соотношение (2.16) – закон Дюлонга – Пти для твердых тел.

Оказалось, что для углерода, кремния и бора соотношение (2.16) не выполняется. Кроме того закон Дюлонга – Пти не учитывает температурную зависимость теплоемкости.

 

 

 

Уравнение Эйнштейна

Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры.

В общем случае тепловой эффект химической реакции зависит от температуры и давления, при которых проводится реакция. Влиянием давления на ΔН и ΔU реакции обычно пренебрегают. Влияние температуры на величины тепловых эффектов описывает закон Кирхгофа:

Большинство экспериментальных определений теплот реакций относится к комнатной температуре, хотя практически важно знать его значение при любой температуре. Первое начало термодинамики позволяет определить зависимость теплового эффекта от температуры и осуществлять соответствующие термохимические расчеты.

Для реакции вида:

, (3.21)

где - коэффициенты;

М₁, М₂, ..., N₁, N₂, ... – продукты химической реакции, тепловой эффект .

. (3.22)

 

Тогда:

. (3.23)

 

 

После дифференцирования по температуре:

, (3.24)

 

 

где - температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции;

Учитывая, что = С_V:

(3.25)

или

. (3.26)

 

 

Уравнение (3.26) – уравнение Кирхгофа в дифференциальной форме записи, которое читается:

“Температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции равен изменению теплоемкости системы за счет этой реакции.”

Если , то , т. е. с повышением температуры тепловой эффект химической реакции уменьшается.

Если , то и с повышением температуры тепловой эффект химической реакции возрастает.

 

При , то и температура не влияет на величину теплового эффекта химической реакции.

 

После разделения переменных и интегрирования:

. (3.27)

 

где .

Тогда

(3.28)

 

и по аналогии:

. (3.29)

 

 

Уравнения (3.28) и (3.29) – уравнения Кирхгофа в интегральной форме записи.

В обобщенной форме записи:

. (3.30)

 

Кроме того:

, (3.31)

. (3.32)

 

Таким образом, для нахождения величины теплового эффекта химической реакции при заданной температуре необходимо знать его величину при любой другой температуре и располагать уравнениями С_i = f (T).

 

 

 

Второе начало термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Связь энтропии со статическим весом.

 

Содержание второго начала термодинамики.

 

Первого начала термодинамики недостаточно для полной характеристики термодинамических процессов. В рамках первого начала можно установить энергетический баланс процессов, но получить сведения о возможности, направлении и пределах их протекания не представляется возможным.

Итак, второе начало позволяет:

- находить направление и устанавливать возможность самопроизвольного (естественного, спонтанного) течения термодинамических процессов и пределы их протекания;

определять условия, при которых превращение какого-либо запаса энергии в полезную работу происходит наиболее полно.

Предлагаются следующие формулировки второго начала термодинамики:

“... холодное тело В, погруженное в теплое тело А, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет А.”

(М. В. Ломоносов)

“... невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в переходе энергии от более холодного тела к более горячему.”

(Рудольф Клаузиус)

“... невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу.”

(У. Томсон (лорд Кельвин))

 

Обратимые и необратимые процессы.

Подобно тому, как в первом начале термодинамики вводится функция состояния – внутренняя энергия, во втором начале – функция состояния, получившая название энтропия (S) (от греческого entropia – поворот, превращение). Рассмотрение изменения этой функции привело к разделению всех процессов на две группы: обратимые и необратимые (самопроизвольные) процессы.

Процесс называется обратимым, если его можно провести сначала в прямом, а затем в обратном направлении и так, что ни в системе, ни в окружающей среде не останется никаких изменений. Полностью обратимый процесс – абстракция, но многие процессы можно вести в таких условиях, чтобы их отклонение от обратимости было весьма мало. Для этого необходи-

мо, чтобы в каждой своей бесконечно малой стадии состояние системы, в которой этот процесс происходит, отвечало бы состоянию равновесия.

Состояние равновесия – особое состояние термодинамической системы, в которое она переходит в результате обратимого или необратимого процессов и может оставаться в нем бесконечно долго. Реальные процессы могут приближаться к обратимым, но для этого они должны совершаться медленно.

Процесс называется необратимым (естественным, спонтанным, самопроизвольным), если он сопровождается рассеянием энергии, т. е. равномерным распределением между всеми телами системы в результате процесса теплопередачи.

В качестве примеров необратимых процессов могут быть названы следующие:

- замерзание переохлажденной жидкости;

- расширение газа в вакуумированное пространство;

- диффузия в газовой фазе или в жидкости.

Систему, в которой произошел необратимый процесс, можно возвратить в исходное состояние, но для этого над системой нужно совершить работу.

К необратимым процессам относится большинство реальных процессов, так как они всегда сопровождаются работой против сил трения, в результате чего происходят бесполезные энергозатраты, сопровождающиеся рассеянием энергии.

Для иллюстрации понятий рассмотрим идеальный газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Пусть начальное давление газа Р₁ при его объеме V₁ (рис. 4.1).

Давление газа уравновешено насыпанным на поршень песком. Совокупность равновесных состояний описывается уравнением pV = const и графически изображается плавной кривой (1).

Если с поршня снять некоторое количество песка, то давление газа над поршнем резко снизится (от А до В) лишь после чего произойдет увеличение объема газа до равновесной величины (от В до С). Характер этого процесса – ломанная линия 2. Эта линия характеризует зависимость P=f (V) при необратимом процессе.

Из рисунка видно, что при обратимом расширении газа совершаемая им работа (площадь под плавной кривой 1) больше, чем при любом необратимом его расширении.

Таким образом, любой термодинамический процесс характеризуется максимально возможной величиной работы, если он совершается в обратимом режиме. К аналогичному выводу можно прийти, если рассмотреть процесс сжатия газа. Только следует иметь ввиду, что в этом случае величина работы – отрицательная величина (рис. 4.1, ломаная 3).

 

 

 

Энтропия

 

Термодинамическая энтропия — аддитивная термодинамическая величина, функция состояния термодинамической системы.

Энтропия, функция состояния S термодинамической системы, изменение которой dS для бесконечно малого обратимого изменения состояния системы равно отношению количества теплоты полученного системой в этом процессе (или отнятого от системы), к абсолютной температуре

Величина dS является полным дифференциалом, т.е. ее интегрирование по любому произвольно выбранному пути дает разность между значениями энтропии в начальном (А) и конечном (В) состояниях:

Теплота не является функцией состояния, поэтому интеграл от δQ зависит от выбранного пути перехода между состояниями А и В. Энтропия измеряется в Дж/(моль·град). где р - давление, μi - химический потенциал i-го компонента.

Простые формулы связывают энтропию с теплоемкостями при постоянном давлении Ср и постоянном объеме Cv: С помощью энтропии формулируются условия достижения термодинамического равновесия системы при постоянстве ее внутренней энергии, объема и числа молей i-го компонента (изолированная система) и условие устойчивости такого равновесия: Это означает, что энтропия изолированной системы достигает максимума в состоянии термодинамического равновесия. Самопроизвольные процессы в системе могут протекать только в направлении возрастания энтропии.

Для изолированных систем второй закон утверждает: dS і 0, (4.2) т.е. энтропия изолированных систем в необратимых процессах может только возрастать, а в состоянии термодинамического равновесия она достигает максимума (dS = 0,

d 2S < 0).

При любых процессах, протекающих в термодинамических изолированных системах, энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается. Таким образом, энтропия указывает направление самопроизвольно протекающих процессов. Рост энтропии указывает на приближение системы к состоянию термодинамического равновесия. В состоянии равновесия энтропия принимает максимальное значение. Закон возрастания энтропии можно принять в качестве еще одной формулировки второго закона термодинамики.

 

 

 

Поверхностные явления, адсорбция

 

 

Поверхностное натяжение, стремление вещества (жидкости или твердой фазы) уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с др. фазой (поверхностную энергию). Определяется как работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз (размерность Дж/м2). Согласно другому определению, поверхностное натяжение – сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз (размерность Н/м); эта сила действует тангенциально к поверхности и препятствует ее самопроизвольному увеличению.

Поверхностное натяжение – основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газовой фазой или другой жидкостью.

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:

в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех фигур одинаковой ёмкости).

струя воды «слипается» в цилиндр.

маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади жидкости.

С поверхностью жидкости связана свободная энергия

где σ — коэффициент поверхностного натяжения, S — полная площадь поверхности жидкости[1]. Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Таких образом задача о форме жидкости сводится к изопериметрической задаче при заданных дополнительных условиях (начальное распределение, объём и т. п.).

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Для многих однокомпонентных неассоциированных жидкостей (вода, расплавы солей, жидкие металлы) вдали от критической температуры хорошо выполняется линейная зависимость: где s и s0 – поверхностное натяжение при температурах T и T0 соответственно, α≈0,1 мН/(м·К) – температурный коэффициент поверхностного натяжения. Основной способ регулирования поверхностного натяжения заключается в использовании поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Поверхностное натяжение, важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. П. н. на границе двух конденсированных фаз обычно называется межфазным натяжением. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю (как в объёме тела) и направлена внутрь фазы с большей когезией. Таким образом, П. н. — мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое или, что то же, избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах соприкасающихся фаз. В соответствии с определениями П. н. его выражают в дж/м2 или н/м (эрг/см2 или дин/см).

Благодаря П. н. жидкость при отсутствии внешних силовых воздействий принимает форму шара, отвечающую минимальной величине поверхности и, следовательно, наименьшему значению свободной поверхностной энергии. П. н. не зависит от величины и формы поверхности, если объёмы фаз достаточно велики по сравнению с размерами молекул; при повышении температуры, а также под действием поверхностно-активных веществ оно уменьшается.

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — процесс концентрирования вещества из объёма фаз на границе их раздела.

В общем случае причина адсорбции - нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля.Поглощаемое вещество, ещё находящееся в объёме фазы, называют адсорбтив, поглощённое — адсорбат. В более узком смысле под адсорбцией часто понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом — адсорбентом. При этом, как и в общем случае адсорбции, происходит концентрирование примеси на границе раздела адсорбент-жидкость либо адсорбент-газ. Процесс, обратный адсорбции, то есть перенос вещества с поверхности раздела фаз в объём фазы, называется десорбция.

Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Она характеризуется обратимостью и уменьшением адсорбции при повышении температуры, т.е. экзотермичностью, причем тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата (10 – 80 кДж/моль). Таковой является, например, адсорбция инертных газов на угле.

Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата. Хемосорбция обычно необратима; химическая адсорбция, в отличие от физической, является локализованной, т.е. молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента. Так как хемосорбция является химическим процессом, требующим энергии активации порядка 40 – 120 кДж/моль, повышение температуры способствует её протеканию. Примером химической адсорбции является адсорбция кислорода на вольфраме или серебре при высоких температурах.

Следует подчеркнуть, что явления физической и химической адсорбции чётко различаются в очень редких случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо и лишь небольшая часть – прочно. Например, кислород на металлах или водород на никеле при низких температурах адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать химическая адсорбция. При повышении температуры увеличение химической адсорбции с некоторой температуры начинает перекрывать падение физической адсорбции, поэтому температурная зависимость адсорбции в этом случае имеет четко выраженный минимум.

Изотерма адсорбции

В равновесной адсорбционной системе параметры, определяющие равновесие, - это ai парциальные давления р (или сi) и температура Т. Они связаны так называемым термическим уравнением:

Три частных случая термического уравнения (когда Т, р или a - константы) играют особую роль в теории адсорбции:

а= - уравнение изотермы адсорбции,

Т= - уравнение изобары адсорбции,

Р- - уравнение изостеры адсорбции.

Изотерма- это зависимость относительной концентрации от давления адсорбата при постоянной температуре: С=f(p) при Т=const.

Первым фундаментальным уравнением изотермы адсорбции является уравнение Ленгмюра, применяемое для мономолекулярной адсорбции в области малых и средних насыщений (в отсутствие капиллярной конденсации):

где a0– емкость монослоя, b– константа, зависит от температуры и рода адсорбента;

где a – количество вещества, адсорбированного при давлении p; a0 – предельная концентрация поглощенного компонета в адсорбенте, достигаемая при = 1 (p* – давление насыщения при заданной температуре); b – коэффициент, зависящий от температуры.

Изотерма Ленгмюра имеет вид кривой с насыщением (рис. 13.1.1.1). В области больших давлений при bp 1 величина а = а0, что соответствует заполнению монослоя. В области малых давлений уравнение Ленгмюра сводится к уравнению Генри. Для расчета значений а0 и константы равновесия b уравнение мономолекулярной адсорбции записывают в линейном виде, например:

= a0b – аb.

 

Полимолекулярная адсорбция

 

Увеличение толщины слоя адсорбированных молекул адсорбтива до двух и более слоев молекул характеризует полимолекулярную адсорбцию, теоретические положения которой в 1914 г. впервые разработал венгерский ученый М. Поляни, описавший сорбционное равновесие исходя из энергетического уровня молекул сорбата при полимолекулярной адсорбции. теорию (БЭТ) полимолекулярной адсорбции, утверждая, что на поверхности адсорбента имеется ряд активных центров адсорбции (т. е. адсорбция локализована), обусловливающих наличие монослоя, на котором адсорбируется второй, третий и т. д. слой молекул, не взаимодействующих со смежными слоями. Аналитическое описание теории БЭТ приведено в работах . Поэтому запишем уравнение БЭТ в конечном виде

уравнение полимолекулярной адсорбции БЭТ: где a0– емкость монослоя, C1– константа, зависит от температуры и рода адсорбента и адсорбата, ps– давление насыщенного пара;

удельная поверхность

усреднённая характеристика пористости или дисперсности соответственно микропористых или тонкоизмельчённых (диспергированных) твердых тел. Удельную поверхность выражают отношением общей поверхности тела к его объёму или массе. Удельная поверхность пропорциональна дисперсности или, что то же, обратно пропорциональна размеру частиц дисперсной фазы.

От величины удельной поверхности зависят поглотительная способность адсорбентов, эффективность твёрдых катализаторов, свойства фильтрующих материалов.

Удельную поверхность чаще всего определяют по количеству адсорбированного материалом инертного газа и по воздухопроницаемости слоя порошка или пористого материала. Адсорбционные методы позволяют получать наиболее достоверные данные.

 

 

 

Электрохимия

Активность ионов. Ионная сила раствора. Зависимость коэффициента активности иона от ионной силы раствора. Теория Дебая-Хюккеля.

Активность (ионов) — эффективная концентрация с учетом электростатического взаимодействия между ионами в растворе. Активность отличается от концентрации на некоторую величину. Отношение активности (а) к концентрации вещества в растворе (с, в г-ион/л) называется коэффициентом активности: γ = a/c.

Ионная сила раствора — мера интенсивности электрического поля, создаваемого ионами в растворе. Полусумма произведений из концентрации всех ионов в растворе на квадрат их заряда. Формула впервые была выведена Льюисом:

где cB — молярные концентрации отдельных ионов (моль/л), zB заряды ионов

Суммирование проводится по всем типам ионов, присутствующих в растворе. Если в растворе присутствуют два или несколько электролитов, то вычисляется общая суммарная ионная сила раствора. Для электролитов, в которых присутствуют многозарядные ионы, ионная сила обычно превышает молярность раствора.

Ионная сила раствора имеет большое значение в теории сильных электролитов Дебая — Хюккеля. Основное уравнение этой теории (предельный закон Дебая — Хюккеля) показывает связь между коэффициентом активности иона ze и ионной силы раствора I в виде: где γ - коэффициент активности, А - постоянная, не зависящая от заряда иона и ионной силы раствора, но зависящая от диэлектрической постоянной растворителя и температуры.

Отношение активности (a) к общей концентрации вещества в растворе (c, в моль/л), то есть активность ионов при концентрации 1 моль/л, называется коэффициентом активности:

В бесконечно разбавленных водных растворах неэлектролитов коэффициент активности равен единице. Опыт показывает, что по мере увеличения концентрации электролита величины f уменьшаются, проходят через минимум, а затем снова увеличиваются и становятся существенно большими единицы в крепких растворах. Такой ход зависимости f от концентрации определяется двумя физическими явлениями.

Первое особенно сильно проявляется при малых концентрациях и обусловлено электростатическим притяжением между противоположно заряженными ионами. Силы притяжения между ионами преобладают над силами отталкивания, т.е. в растворе устанавливается ближний порядок, при котором каждый ион окружен ионами противоположного знака. Следствием этого является усиление связи с раствором, что находит отражение в уменьшении коэффициента активности. Естественно, что взаимодействие между ионами возрастает при увеличении их зарядов.

При возрастании концентрации все большее влияние на активность электролитов оказывает второе явление, которое обусловлено взаимодействием между ионами и молекулами воды (гидратацией). При этом в относительно концентрированных растворах количество воды становится недостаточным для всех ионов и начинается постепенная дегидратация, т.е. связь ионов с раствором уменьшается, следовательно, увеличиваются коэффициенты активности.

Известны некоторые закономерности, касающиеся коэффициентов активности. Так, для разбавленных растворов (приблизительно до m = 0,05) соблюдается соотношение 1 - f = k√m. В несколько более разбавленных растворах (т ≈ 0,01) величины f не зависят от природы ионов. Это обусловлено тем, что ионы находятся на таких расстояниях друг от друга, на которых взаимодействие определяется только их зарядами.

При более высоких концентрациях наряду с зарядом на величину активности начинает оказывать влияние и радиус ионов.

Для оценки зависимости коэффициентов активности от концентрации в растворах, где присутствует несколько электролитов, Г. Льюис и М. Рэндалл ввели понятие о ионной силе I, которая характеризует интенсивность электрического поля, действующего на ионы в растворе. Ионная сила определяется как полусумма членов, полученных умножением моляльностей каждого иона mi на квадрат его валентности Zi:

I = 1/2∑miZi. (IX.18)

 

ДЕБАЯ - ХЮККЕЛЯ ТЕОРИЯ, статистич. теория разбавленных растворов сильных электролитов, позволяющая рассчитать коэф. активности ионов. Основана на предположении о полной диссоциации электролита на ионы, которые распределены в растворителе, рассматриваемом как непрерывная среда. Каждый ион действием своего электрич. заряда поляризует окружение и образует вокруг себя некоторое преобладание ионов противоположного знака - т. наз. ионную атмосферу. В отсутствие внеш. электрич. поля ионная атмосфера имеет сферич. симметрию и ее заряд равен по величине и противоположен по знаку заряду создающего ее центр. иона. Потенциал j суммарного электрич. поля, создаваемого центр. ионом и его ионной атмосферой в точке, расположенной на расстоянии r от центр. иона, м.б. рассчитан, если ионную атмосферу описывать непрерывным распределением плотности r заряда около центр. иона. Для расчета используют ур-ние Пуассона (в системе СИ):

n2j = -r/ee0,

где n2-оператор Лапласа, e - диэлектрич. проницаемость растворителя, e0 - электрич. постоянная (диэлектрич. проницаемость вакуума). Для каждого i-го сорта ионов r описывается ф-цией распределения Больцмана; тогда в приближении, рассматривающем ионы как точечные заряды (первое приближение Д.-Х.т.), решение ур-ния Пуассона принимает вид: где z - зарядовое число центр. иона, rd - т. наз. дебаевский радиус экранирования (радиус ионной атмосферы). На расстояниях r > rd потенциал j становится пренебрежимо малым, т. е. ионная атмосфера экранирует электрич. поле центр. иона.

В отсутствие внешнего электрического поля ионная атмосфера имеет сферическую симметрию, и её заряд равен по величине и противоположен по знаку заряду создающего её центрального иона. В этой теории не уделено почти никакого внимания образованию пар противоположно заряженных ионов путём непосредственного взаимодействия между ними.

 

 

 

Равновесие в растворах электролитов. Протолитическая теория кислот. Константа основности оснований.

 

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ – состояние химической системы, при котором возможны реакции, идущие с равными скоростями в противоположных направлениях. При химическом равновесии концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

Электролитами называют вещества, проводящие электрический ток за счет движения ионов (а не электронов, как в проводниках-металлах).

Из этого определения видно, что вещества-электролиты должны содержать ионы, которые могут двигаться. Это могут быть твердые, жидкие и даже газообразные вещества (правда, на практике к газам, находящимся в таком состоянии – состоянии плазмы, термин «электролит» обычно не применяют).

Ионной проводимостью в твердом состоянии обладают некоторые оксиды (например, ZrO2, содержащий примесь СаО) при высоких (порядка 1000 °С) температурах (рис.). Примесь оксида кальция создает кислородные вакансии (на рисунке ионы кальция затемнены, а пустыми прямоугольниками обозначены места, в которых отсутствуют ионы кислорода) в кристаллической решетке оксида циркония, по которым и может происходить диффузия этих ионов. Высокая температура обеспечивает их подвижность. Это так называемые твердые электролиты, используемые, например, в топливных элементах.

Электролитами принято называть вещества (главным образом, кислоты, основания и соли), которые при растворении в воде дают подвижные ионы, т.е. растворы которых являются электролитами в буквальном смысле слова. Поэтому обсуждаемые в настоящей главе растворы принято называть растворами электролитов, хотя по существу правильнее было бы называть их «растворы-электролиты».

Способность образовывать ионы является свойством не вещества самого по себе, а пары вещество–растворитель

Протолитическая теория кислот и оснований , предложенная в 1923 г. независимо датским ученым Бренстедом и английским ученым Лоури. Согласно этой теории кислотами являются вещества, молекулы или ионы, отщепляющие при данной реакции протоны. Основаниями являются вещества, молекулы или ионы, присоединяющие протоны. Как те, так и другие получили общее название протолитов.

Реакция отщепления протона изображается уравнением:

кислота « основание + Н+

Кислота и основание такого процесса называется сопряженными. Это кислотно-основная пара. Например, ион H3О+ — кислота , сопряженная основанию H2O, а хлорид-ион Cl- — основание , сопряженное кислоте HCI.

Свободные протоны в растворах самостоятельно не существуют. Они переходят от кислоты к какому-либо основанию . Поэтому в растворе всегда протекают два процесса:

кислота1 « основание1 + Н+

основание2 + Н+ « кислота2

и равновесие между ними изображают уравнением

кислота1 + основание2 « основание1 + кислота2

Таким образом, из кислоты и основания всегда получаются новые сопряженные кислота и основание . Протолитическая теория рассматривает реакцию нейтрализации как переход протона кислоты к основанию .

 

 

 

Ионное произведение воды. рН-растворов. Индиеаторы. Буфферные растворы.

Ио́нное произведе́ние воды́ — произведение концентраций ионов водорода Н+ и ионов гидроксида OH− в воде или в водных растворах, константа автопротолиза воды.

Вывод значения ионного произведения воды

Вода, хотя и является слабым электролитом, в небольшой степени диссоциирует:

H2O + H2O ↔ H3O+ + OH−

или

H2O ↔ H+ + OH−

Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле: где:

[H+] — концентрация ионов гидроксония (протонов);

[OH−] — концентрация гидроксид-ионов;

[H2O] — концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;

Концентрация воды в воде, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,72 моль/л.

Константа Kв, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и Kв, при понижении температуры — наоборот.

Практическое значение ионного произведения воды

Практическое значение ионного произведения воды велико, так как оно позволяет при известной кислотности (щёлочности) любого раствора (то есть при известной концентрации [H+] или [OH−]) найти соответственно концентрации [OH−] или [H+]. Хотя в большинстве случаев для удобства представления пользуются не абсолютными значениями концентраций, а взятыми с обратными знаком их десятичными логарифмами — соответственно, водородным показателем (pH) и гидроксильным показателем (pOH).

Так как Kв — константа, при добавлении к раствору кислоты (ионов H+), концентрация гидроксид-ионов OH− будет падать и наоборот. В нейтральной среде [H+] = [OH−] = моль/л. При концентрации [H+] > 10−7 моль/л (соответственно, концентрации [OH−] 10−7 моль/л (соответственно, концентрации [H+] < 10−7 моль/л) — щелочной. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электрической проводимостью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы. Для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидросид-ионов есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Растворы, в которых концентрация ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются

нейтральными растворами.

Если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щёлочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода. Кислотность и щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают её десятичный логарифм, взятый с обратным знаком.

Эта величина называется водородным показателем и обозначается через рН:

рН=-lg[H+]

Для измерения рН существуют различные методы. Приближённо реакцию

раствора можно определить с помощью специальных реактивов, называемых

индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов

водорода. Наиболее распространённый индикатор – метиловый оранжевый,

метиловый красный, фенолфтолеин.

ИНДИКАТОРЫ (от лат. indicator – указатель) – вещества, позволяющие следить за составом среды или за протеканием химической реакции. Одни из самых распространенных – кислотно-основные индикаторы, которые изменяют цвет в зависимости от кислотности раствора. Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде молекулы индикатора имеют разное строение.

Кислотно-основные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности (рН). Индикаторы широко используют в титровании в аналитической химии и биохимии. Из-за субъективности определения цвета, индикаторы pH не всегда удобны, для точного измерения pH используют pH-метры с цифровой индикацией.

Измерение pH с помощью индикаторной бумаги

Ks:

Формы применения индикаторов

Индикаторы обычно используют, добавляя несколько капель водного или спиртового раствора, либо немного порошка (например, смесь мурексида с хлоридом натрия) к пробе исследуемого раствора. Так, при титровании, в аликвоту исследуемого раствора добавляют индикатор, и наблюдают за изменениями цвета в точке эквивалентности.

Другой способ применения - использование полосок бумаги, пропитанных раствором индикатора или смеси индикаторов и высушенных (например, "Универсальный индикатор"). Такие полоски выпускают в самых разнообразных вариантах - с нанесенной на них цветной шкалой - эталоном цвета (в том числе для окрашенных или мутных сред), или с напечатанными числовыми значениями рН; для точного измерения в узких диапазонах рН, и для ориентировочного исследования растворов; в рулончиках, коробках и пеналах, или в виде отрывных книжечек.

Современные индикаторные полоски могут быть изготовлены с красителем - индикатором, привитым к целлюлозе или иному полимеру. Это делает их устойчивыми к вымыванию, вплоть до многократного использования.

 

 

 

Окислительно-восстановительное равновесие. Электродные потенциалы. Электроды первого рода. Нормальный потенциал.Водородный электрод. Ряд напряжений.

 

Химические реакции, протекающие с изменением степени окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными.

Окисление — это процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом.

Восстановление — это процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Окислителем является атом, молекула или ион, принимающий электроны. Восстановителем является атом, молекула или ион, отдающий электроны.

Окислитель в процессе реакции восстанавливается, восстановитель — окисляется.

Следует помнить, что рассмотрение окисления (восстановления) как процесса отдачи (и принятия) электронов атомами или ионами не всегда отражает истинное положение, так как во многих случаях происходит не полный перенос электронов, а только смещение электронного облака от одного атома к другому.

В электрохимии стандартный электродный потенциал, обозначаемый Eo, E0, или EO, является мерой индивидуального потенциала обратимого электрода (в равновесии) в стандартном состоянии, которое осуществляется в растворах при эффективной концентрации в 1 моль/кг и в газах при давлении в 1 атмосферу или 100 кПа (килопаскалей). Объёмы чаще всего взяты при 25 °C. Основой для электрохимической ячейки, такой как гальваническая ячейка всегда является окислительно-восстановительная реакция, которая может быть разбита на две полуреакции: окисление на аноде (потеря электрона) и восстановление на катоде (приобретение электрона). Электричество вырабатывается вследствие различия электростатического потенциала двух электродов. Эта разность потенциалов создаётся в результате различий индивидуальных потенциалов двух металлов электродов по отношению к электролиту.

Электродный потенциал не может быть получен эмпирически. Потенциал гальванической ячейки вытекает из "пары" электродов. Таким образом, невозможно определить величину для каждого электрода в паре, используя эмпирически полученный потенциал гальванической ячейки. Для этого установлен стандартный водородный электрод, для которого этот потенциал точно определён и равен 0,00 В, и любой электрод, для которого электронный потенциал ещё неизвестен, может быть соотнесён со стандартным водородным электродом с образованием гальванической ячейки - и в этом случае потенциал гальванической ячейки даёт потенциал неизвестного электрода.

Так как электродные потенциалы традиционно определяют как восстановительные потенциалы, знак окисляющегося металлического электрода должен быть изменён на противоположный при подсчёте общего потенциала ячейки. Также нужно иметь ввиду, что потенциалы не зависят от количества передаваемых электронов в полуреакциях (даже если оно различно), так как они рассчитаны на 1 моль переданных электронов. Отсюда при расчёте какого-либо электродного потенциала на основании двух других следует проявлять внимательность.

Электроды первого рода

Состоят из металла, погруженного в раствор, содержащий ионы этого металла. В этом случае электродный потенциал определяется концентрацией катионов металла и почти не зависит от концентрации анионов. В этом случае говорят, что электрод обратим относительно катиона. Например электрод, состоящий из цинковой пластинки схематично записывается так: Zn2+Zn, на нем протекает реакция :

Zn2+ + 2е = Zn

а потенциал записывается как: К электродам первого рода относят амальгамные электроды, которые отлячаются тем, что вместо чистого металла используется раствор данного металла в ртути (амальгамма).

Нормальный потенциал, стандартный потенциал, физико-химическая величина, условно характеризующая равновесную разность потенциалов между электродом и раствором в том случае, когда вещества, участвующие в электродной реакции, находятся в стандартном состоянии, т. е. их активности (активные концентрации) равны 1. Поскольку фактическая разность потенциалов электрода и раствора недоступна измерению, пользуются величинами, характеризующими потенциалы различных электродов относительно некоторого электрода сравнения. Обычно электродом сравнения служит нормальный водородный электрод (Н. В. Э.), потенциал которого принимается равным нулю при любой температуре. Потенциал электрода, заряжающегося отрицательно относительно Н. В. Э., имеет знак минус, заряжающегося положительно — знак плюс. Совокупность Н. п. реакций разряда-ионизации металлов и водорода, расположенных в порядке их возрастания, называется рядом напряжений. Элементы с менее положительными Н. п. вытесняют элементы с более положительными Н. п. из раствора, содержащего их катионы. Н. п. вычисляют из результатов измерений эдс гальванических элементов, а также из стандартных значений изменения гиббсовой энергии (свободной энергии) DG° при реакции. Величины Н. п. могут быть использованы для вычислений DG° и констант равновесия химических реакций. Такие вычисления необходимы для оценки возможности протекания химических реакций и для термодинамических расчётов.

Водородный электрод

платиновая пластинка, электролитически покрытая платиновой чернью, погружённая в раствор кислоты с определённой концентрацией ионов водорода Н+ и омываемая током газообразного водорода. Потенциал В. э. возникает за счёт обратимо протекающей реакции Между водородом, адсорбированным платиновой чернью, и ионами водорода в растворе устанавливается равновесие. Потенциал электрода Е определяется уравнением Нернста: где Т — абсолютная температура (К), аН+ — активная концентрация ионов водорода (г-ион/л), р — давление водорода [кгс/см2 (атм)], Е° — нормальный (или стандартный) потенциал В. э. при р = 1 кгс/см2 (1 атм) и aH+ = 1. При любой заданной температуре Е° условно принято считать равным нулю. От потенциала стандартного В. э. отсчитывают потенциалы всех других электродов (так называемая водородная шкала потенциалов). При работе с В. э. необходима тщательная очистка водорода от примесей. Особенно опасны соединения серы и мышьяка, а также кислород, реагирующий с водородом на поверхности платины с образованием воды, что приводит к нарушению равновесия. В. э. применяют как электрод сравнения.

Ряд напряжений (реже — ряд активностей), последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод. Поэтому в Р. н. включают и водород, электродный потенциал которого принимается равным нулю.

Наибольшие отрицательные потенциалы характерны для щелочных металлов (около — 3 в), за ними следуют щёлочноземельные металлы и т. д.; наиболее положительные потенциалы имеют благородные металлы (около + 1,5 в; численные значения см. в ст. Металлы, табл. 2 и 3). В Р. н. часто включают неметаллы, ионы и некоторые химические соединения. Наиболее распространённые металлы расположены в Р. н. в следующей последовательности: Li, К, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au (см. там же).

Место каждого элемента в Р. н. несколько условно, так как величина электродного потенциала зависит от температуры и состава раствора, в который погружены электроды, в частности от активности (или концентрации) ионов данного вещества в электролите. Большое значение имеет состояние поверхности электрода (гладкая, шероховатая), в особенности наличие на ней окисной защитной плёнки (см. Пассивирование). Р. н., обычно, приводимый в учебной литературе, относится к водным растворам при температуре 25 °С, давлении газов 1 атм и при активности ионов, участвующих в электрохимической реакции, равной 1. При изменении концентраций и растворителя последовательность веществ в Р. н. может изменяться, особенно для веществ, близко расположенных в этом ряду.

Важнейшие следствия, вытекающие из Р. н. и широко используемые в химической практике: 1) каждый металл способен вытеснять (замещать) из растворов солей все другие металлы, стоящие в Р. н. правее данного металла; 2) все металлы, расположенные в Р. н. левее водорода, способны вытеснять его из кислот; 3) чем дальше расположены друг от друга два металла в Р. н., тем большее напряжение может давать построенный из них гальванический элемент. Р. н. составляется на основе термодинамических характеристик электрохимических процессов, поэтому он позволяет судить лишь о принципиальной возможности этих процессов; реальное же их осуществление во многом определяется кинетическими факторами.

 

 

 

Электроды второго рода. Каломельный электрод. Окислительно-восстановительные электроды.

Электроды второго рода

Состоят из металла, покрытого слоем труднорастворимой соли этого металла и опущенного в раствор соли, образующей такой же анион, как и труднорастворимое соединение металла. Электроды второго рода обладают высокой стабильностью потенциалов и применяются в качестве электродов сравнения.

Электроды второго рода представляют собой металлические электроды, покрытые слоем труднорастворимой соли того же металла. При погружении в раствор соли одноименного аниона его потенциал будет определяться активностью иона в растворе.

а) Хлорсеребряный электрод (ХСЭ) Ag, AgCl|Cl – представляет собой серебряный проводник, покрытый твердым AgCl, который погружен в насыщенный раствор KCl.

б) Каломельный электрод (КЭ) Hg, Hg 2Cl 2|Cl – – это ртуть, находящаяся в контакте с пастой из смеси ртути и каломели Hg 2Cl 2, которая, в свою очередь, соприкасается с насыщенным раствором KCl.

Каломельный электрод — электрод, использующийся в качестве электрода сравнения в гальванических элементах. Каломельный электрод состоит из платиновой проволочки, погружённой в каплю ртути, помещённую в насыщенный каломелью раствор хлорида калия определённой концентрации. Схематически его записывают следующим образом: Pt|Hg|Hg2Cl2|Cl- ...

Уравнение окислительно-восстановительного процесса, протекающего в каломельном электроде, имеет вид Уравнение Нернста для него может быть записано следующим образом:

Здесь E0 — стандартный электродный потенциал процесса, aHg — активность ионов Hg+ в растворе. Поскольку каломель является малорастворимым соединением, активность ионов Hg+ связана с активностью хлорид-ионов через величину произведения растворимости Ksp.

Потенциал каломельного электрода зависит, таким образом, только от температуры и активности хлорид-ионов. На практике обычно используется насыщенный раствор KCl; в этом случае потенциал насыщенного каломельного электрода зависит только от температуры и составляет 0.2412 В при 25 °С.

Достоинством насыщенных каломельных электродов является хорошая воспроизводимость потенциала. Работоспособны при температурах до 80 °С; при более высоких температурах начинается разложение каломели. Ввиду токсичности ртути, содержащейся в каломельных электродах, в настоящее время они применяются сравнительно редко.

Окислительно-восстановительный электрод - в электрохимии - система из инертного электронного проводника (металла), находящегося в контакте с раствором электролита, содержащим окисленную и восстановленную форму одного и того же химического элемента или соединения.

 

 

 

Диффузионные потенциалы. Потенциометрическое титрование. Поляризация электродов. Полярография. Перенапряжение.

ДИФФУЗИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, разность потенциалов на границе двух соприкасающихся растворов электролитов. Обусловлен тем, что скорости переноса катионов и анионов через границу, вызванного различием их элсктрохим. потенциалов в растворах 1 и 2, различны. Наличие диффузионный потенциал может вызывать погрешность при измерениях электродного потенциала. поэтому диффузионный потенциал стремятся рассчитать или устранить. Точный расчет невозможен из-за неопределимости коэф. активности ионов, а также отсутствия сведений о распределении концентраций ионов в пограничной зоне между соприкасающимися растворами. Если в контакте находятся растворы одного и того же z, z - зарядного электролита (z - число катионов, равное числу анионов) разл. концентраций и можно считать, что числа переноса анионов и катионов, соотв. t+ и t_, не зависят от их активности, а коэф. активности анионов и катионов равны между собой в обоих растворах, то диффузионный потенциал .где a1 и а2 - средние активности ионов в растворах 1 и 2, Т - абс. температура, R - газовая постоянная, F - постоянная Фарадея.

Потенциометрическое титрование основано на измерении потенциала электрода в процессе титрования и определении точки эквивалентности по резкому скачку потенциала. Потенциал электрода используется в качестве индикатора в потенциометрическом титровании, поскольку существует линейная зависимость между электродным потенциалом и логарифмом активности ионов.

С помощью потенциометрического титрования могут решаться как аналитические, так и физико-химические задачи:

определение концентрации одного или нескольких веществ, присутствующих в растворе;

определение кажущихся констант диссоциации слабых кислот и оснований;

определение константы нестойкости комплексных ионов;

определение произведения растворимости Ks;

определение нормальных окислительно-восстановительных потенциалов

По типу реакций, протекающих в растворе, потенциометрическое титрование можно подразделить на следующие виды:

титрование окислительно-восстановительных систем;

титрование с образованием малорастворимых соединений;

титрование кислот, щелочей, солей, подвергающихся гидролизу;

титрование с образованием комплексных соединений.

Чтобы измерить потенциал, в потенциометрическом титровании используются индикаторный электрод и электрод сравнения.

Для потенциометрического титрования собирают цепь из индикаторного электрода в анализируемом растворе и электрода сравнения. В качестве электродов сравнения чаще всего применяют каломельный или хлорсеребряный.

В кислотно-основном титровании в качестве индикаторного обычно используют стеклянный электрод, как правило, входящий в комплект серийно выпускаемых промышленностью pH-метров. Потенц

иометрический метод позволяет провести количественное определение компонентов в смеси кислот, если константы диссоциации различаются не менее чем на три порядка.

Электрохимическая поляризация. При электролизе происходит химическое превращение в результате протекания электрического тока через электролит. Этот процесс противоположен протекающему в гальванических элементах, производящих работу. При электролизе затрачивается энергия внешнего источника, который обеспечивает прохождение постоянного тока через раствор или расплав. При этом на отрицательном электроде, который принято называть катодом, разряжаются катионы, а на положительном электроде - аноде разряжаются анионы. Прохождение тока вызывает изменение электрического состояния электродов и их потенциалов. Разность между потенциалом электрода, когда через систему протекает постоянный ток, и потенциалом при равновесии и том же электролите называется поляризацией. Таким образом, протекание через электролит более или менее значительного постоянного тока делает систему неравновесной.

Поляризация электродов оказывывает сильное влияние на постоянство действия элемента. Если электродный процесс осложнен химический реакцией, которая предшествует электрохимический стадии или следует за ней, то ПОЛЯРИЗАЦИЯ может быть обусловлена конечной скоростью этой реакции (химический стадии). При зарождении новой фазы на поверхности электрода возникновение ПОЛЯРИЗАЦИЯ связано со стадиями образования двухмерных или трехмерных зародышей, поверхностной диффузией адсорбир. атомов или ионов, встраиванием их в кристаллич. решетку и т.п.

 

Полярография — один из важнейших электрохимических методов анализа и исследования. Предложен Я. Гейровским в 1922 г. Измеряют предельный ток, величина которого пропорциональна концентрации определяемого вещества. Величину предельного тока находят по кривой зависимости силы тока от приложенного напряжения (такая кривая называется полярограммой). Для получения полярограммы нужно, чтобы поверхность катода была значительно меньше поверхности анода. Полярография применяется для количественного определения ряда ионов (кадмий, цинк, свинец и др.), некоторых органических веществ.

ПОЛЯРОГРАФИЯ, разновидность волътамперометрии с использованием индикаторного микроэлектрода из жидкого металла. пов-сть которого периодически или непрерывно обновляется. При этом не происходит длительного накопления продуктов электролиза на пов-сти раздела электрод-раствор в электролитич. ячейке. Индикаторным электродом в полярография служит чаще всего ртутный капающий электрод. Исполь-зуют также капающие электроды из жидких амальгам и расплавов, струйчатые электроды из жидких металлов, многокапельные электроды, в которых жидкий металл или расплав продавливают через диски из пористого стекла, и др.

На полярограммах, регистрируемых в полярография при использовании капающих индикаторных электродов, наблюдаются осцилляции I, пропорциональные величине I. Эти осцилляции связаны с постепенным увеличением пов-сти капли и ее периодич. обрывами. Для сглаживания осцилляции используют регистрирующие приборы (гальванометры) с большой константой времени, демпфирование, например, с помощью RC-цепочек (электрич. цепей, состоящих из резисторов и конденсаторов), или стробирование, т. е. запись тока в течение непродолжит. интервала жизни каждой капли, причем ток поддерживают неизменным до аналогичных измерений на следующей капле. Постояннотоковую полярография со стробирова-нием называют таст-полярографией. Среднее значение I зависит от периода капания, который меняется с изменением Е. Чтобы период капания в растворе данного состава поддерживать постоянным, каплю обрывают, например припаянной к концу капилляра лопаточкой или ударами электромагн. молоточка. Такой принудит. обрыв капли часто сочетают со строби-рованием. При малых периодах капания (менее 0,5 с) в случае электродов с принудит. обрывом капель очень велика емкостная составляющая тока, обусловленная заряжением двойного электрич. слоя у пов-сти свежезародившейся капли; это позволяет изучать адсорбцию орг. веществ на капающем электроде. Области применения полярография и используемая в этом методе аппаратура такие же, как в волътамперометрии. Особая область использования полярография-исследование и анализ металлич. расплавов и амальгам (в т. наз. амальгамной полярография, т.е. в полярография с капающими амальгамными индикаторными электродами).

Широко используется полярография в орг. химии для анализа и изучения реакц. способности индивидуальных веществ, а также для установления механизма электродных процессов, выявления возможности осуществления электросинтеза и нахождения оптим. условий его проведения. Потенциал полуволны Е1/2 в случае обратимых электрохим. процессов близок к термо-динамич. окислит.-восстановит. потенциалу системы; для необратимых процессов, когда скорость электрохим. стадии мала, Е1/2 определяется величиной стандартной константы скорости переноса электрона, которая в определенных условиях хорошо коррелируется с константами скорости хим. реакций этих веществ и с их термодинамич. характеристиками (см. Корреляционные соотношения). На значения Е1/2 необратимых электродных процессов существ. влияние оказывает строение двойного электрич. слоя.

Предельный (или максимальный) ток в полярография может определяться не только диффузией веществ к электроду, но и скоростью образования электрохимически активного вещества в результате хим. реакции. Такой ток называют кинетическим. Он м. б. объемным, если реакция протекает в приэлектродном пространстве, или поверхностным, если в реакции участвует хотя бы одно вещество, адсорбированное на пов-сти электрода. Если электрохимически активная форма регенерируется в результате хим. превращений из продукта электродной реакции, то такие процессы называют каталитическими. Изучение кине-тич. и каталитич. волн в полярография позволяет определять константы скорости быстрых хим. реакций, например взаимод. анионов кислот с ионами Н3О+ , комплексообразования, окисления.

 

 

 

Химическая кинетика и катализ

Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Кинетическое уравнение для моно- и бимомолекулярных реакций.

Скорость химической реакции - изменение количества вещества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение домножается на −1.

Скорость реакции определяется изменением молярной концентрации одного из реагирующих веществ:

V = ± ((С2 – С1) / (t2 - t1)) = ± (DС / Dt)

где С1 и С2 - молярные концентрации веществ в моменты времени t1 и t2 соответственно (знак (+) – если скорость определяется по продукту реакции, знак (–) – по исходному веществу).

Реакции происходят при столкновении молекул реагирующих веществ. Ее скорость определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а вероятность реакции - энергией сталкивающихся молекул.

Факторы, влияющие на скорость химических реакций.

1. Природа реагирующих веществ. Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

2. Концентрация. С увеличением концентрации (числа частиц в единице объема) чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ - скорость реакции возрастает.

Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB + . . . ® . . .

V = k • [A]a • [B]b • . . .

Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г.)

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB + . . . ® . . .

V = k • [A]a • [B]b • . . .

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций концентрация твердой фазы в выражение скорости реакции не входит.

3.Температура. При повышении температуры на каждые 10°C скорость реакции возрастает в 2-4 раза (Правило Вант-Гоффа). При увеличении температуры от t1 до t2 изменение скорости реакции можно рассчитать по формуле:

(t2 - t1) / 10

Vt2 / Vt1

= g

(где Vt2 и Vt1 - скорости реакции при температурах t2 и t1 соответственно; g- температурный коэффициент данной реакции).

Правило Вант-Гоффа применимо только в узком интервале температур. Более точным является уравнение Аррениуса:

k = A • e –Ea/RT

где

A - постоянная, зависящая от природы реагирующих веществ;

R - универсальная газовая постоянная [8,314 Дж/(моль • К) = 0,082 л • атм/(моль • К)];

Ea - энергия активации, т.е. энергия, которой должны обладать сталкивающиеся молекулы, чтобы столкновение привело к химическому превращению.

4.Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Для гетерогенных систем (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях), чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердых веществ может быть увеличена путем их измельчения, а для растворимых веществ - путем их растворения.

5. Катализ. Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами. Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. При гомогенном катализе реагенты и катализатор составляют одну фазу (находятся в одном агрегатном состоянии), при гетерогенном катализе - разные фазы (находятся в различных агрегатных состояниях). Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление "отрицательного катализа").

Закон действующих масс устанавливает соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии. Закон действующих масс сформулирован в 1864—1867 гг. К. Гульдбергом и П. Вааге. Согласно этому закону скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Закон действующих масс используют при различных расчетах химических процессов. Он позволяет решить вопрос, в каком направлении возможно самопроизвольное течение рассматриваемой реакции при заданном соотношении концентраций реагирующих веществ, какой выход нужного продукта может быть получен.

где

ai — активности веществ, выраженные через концентрации, парциальные давления либо мольные доли;

νi — стехиометрический коэффициент (для исходных веществ принимается отрицательным, для продуктов — положительным);

Kc — константа химического равновесия.

Закон действующих масс безусловно выполняется только для элементарных химических реакций, протекающих в одну стадию. В других случаях фактическая и вычисленная по закону действующих масс скорости совпадают редко.

Кинетическое уравнение для моно- и бимолекулярных реакций.

Простые мономолекулярные реакции:

Реакция изомеризации — превращение одного реагента (частицы) в один продукт:

Диссоциация — распад молекулы, связанный с разрывом одной связи:

Реакция распада — превращение одной молекулы (частицы) в две или несколько частиц (молекула, радикал, ион):

Реакция элиминирования — распад многоатомной молекулы на несколько молекул:

Простые бимолекулярные реакции

Реакция присоединения — взаимодействие двух реагентов друг с другом, из которых, по крайней мере, один является молекулой:

Реакции электрофильного и нуклеофильного замещения — реакции замены активной группы в молекуле на другую группу:

Реакция отрыва — взаимодействие молекулы с атомом, радикалом или ионом, приводящее к образованию молекулярного продукта и новой активной частицы:

Реакция рекомбинации — взаимодействие двух атомов, радикалов, ионов, приводящее к образованию молекулярного продукта:

Реакция диспропорционирования — перераспределение атомов или их группировок между двумя одинаковыми молекулами, радикалами в результате их взаимодействия.

 

 

 

Влияние температуры на скорость химической реакции. Уравнение Аррениуса. Энергия активации и определение ее по экспериментальным данным.

Каждая молекула сталкивается с другими. Число соударений в секунду столь огромно, что, если бы столкновения были эффективны, все реакции заканчивались бы мгновенно, т.е. протекали бы в виде взрыва. Но этого не происходит. Сильное понижение температуры реагирующей системы молекул приводит к уменьшению их кинетической энергии, и их столкновения становятся неэффективными, а скорость реакции близка к нулю.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:

Константа скорости реакции есть функция от температуры; повышение температуры, как правило, увеличивает константу скорости. Первая попытка учесть влияние температуры была сделана Я. Г. Вант-Гоффом, который сформулировал следующее эмпирическое правило:

При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости элементарной химической реакции увеличивается в 2 – 4 раза.

Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается константа скорости при повышении температуры на 10 градусов, есть температурный коэффициент константы скорости реакции γ. Математически правило Вант-Гоффа можно записать следующим образом:

Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.

Однако правило Вант-Гоффа применимо лишь в узком температурном интервале, поскольку температурный коэффициент скорости реакции γ сам является функцией от температуры; при очень высоких и очень низких температурах γ становится равным единице (т.е. скорость химической реакции перестает зависеть от температуры).

Уравнение Аррениуса

Очевидно, что взаимодействие частиц осуществляется при их столкновениях; однако число столкновений молекул очень велико и, если бы каждое столкновение приводило к химическому взаимодействию частиц, все реакции протекали бы практически мгновенно. С. Аррениус постулировал, что столкновения молекул будут эффективны (т.е. будут приводить к реакции) только в том случае, если сталкивающиеся молекулы обладают некоторым запасом энергии – энергией активации.

Энергия активации есть минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение могло привести к химическому взаимодействию.

Рассмотрим путь некоторой элементарной реакции

А + В ––> С

Поскольку химическое взаимодействие частиц связано с разрывом старых химических связей и образованием новых, считается, что всякая элементарная реакция проходит через образование некоторого неустойчивого промежуточного соединения, называемого активированным комплексом:

А ––> K# ––> B

Образование активированного комплекса всегда требует затраты некоторого количества энергии, что вызвано, во-первых, отталкиванием электронных оболочек и атомных ядер при сближении частиц и, во-вторых, необходимостью построения определенной пространственной конфигурации атомов в активированном комплексе и перераспределения электронной плотности. Таким образом, по пути из начального состояния в конечное система должна преодолеть своего рода энергетический барьер. Энергия активации реакции приближённо равна превышению средней энергии активированного комплекса над средним уровнем энергии реагентов. Очевидно, что если прямая реакция является экзотермической, то энергия активации обратной реакции Е'А выше, нежели энергия активации прямой реакции EA. Энергии активации прямой и обратной реакции связаны друг с другом через изменение внутренней энергии в ходе реакции.

Поскольку температура есть мера средней кинетической энергии частиц, повышение температуры приводит к увеличению доли частиц, энергия которых равна или больше энергии активации, что приводит к увеличению константы скорости реакции.

Зная энергию активации реакции и константу скорости при какой-либо температуре T1, по уравнению Аррениуса можно рассчитать величину константы скорости при любой температуре T2:

Энергия активации, разность между значениями средней энергии частиц (молекул, радикалов, ионов и др.), вступающих в элементарный акт химической реакции, и средней энергии всех частиц, находящихся в реагирующей системе. Для различных химических реакций Энергия активации изменяется в широких пределах — от нескольких до ~ 10 дж./ моль. Для одной и той же химической реакции значение Энергия активации зависит от вида функций распределения молекул по энергиям их поступательного движения и внутренним степеням свободы (электронным, колебательным, вращательным). Как статистическую величину Энергия активации следует отличать от пороговой энергии, или энергетического барьера, — минимальной энергии, которой должна обладать одна пара сталкивающихся частиц для протекания данной элементарной реакции.

В рамках представлений теории абсолютных скоростей реакций Энергия активации — разность между значениями средней энергии активированных комплексов и средней энергии исходных молекул.

Представления об Э. а. возникли в 70—80-х гг. 19 в. в результате работ Я. Вант-Гоффа и С. Аррениуса, посвященных изучению влияния температуры на скорость химической реакции. Константа скорости реакции k связана с Э. а. (Е) уравнением Аррениуса:

k = koe-E/RT

где R — Газовая постоянная, Т — абсолютная температура в К, ko — постоянная, называемая предэкспоненциальным множителем константы скорости. Это уравнение, основанное на молекулярно-кинетической теории, позже было получено в статистической физике с учетом ряда упрощающих предположений, одно из которых — независимость Э. а. от температуры. Для практики и для теоретических расчетов в сравнительно узких температурных интервалах это предположение справедливо.

Э. а. можно найти по экспериментальным данным несколькими способами. Согласно одному из них, исследуют кинетику реакции при нескольких температурах (о методах см. в ст. Скорость химической реакции) и строят график в координатах In k — 1/T; тангенс угла наклона прямой на этом графике, в соответствии с уравнением Аррениуса, равен Е. Для одностадийных обратимых реакций (см. Обратимые и необратимые реакции) Э. а. реакции в одном из направлений (прямом или обратном) можно вычислить, если известна Э. а. реакции в другом и температурная зависимость константы равновесия (из термодинамических данных). Для более точных расчетов следует учитывать зависимость Э. а. от температуры.

Э. а. сложных реакций представляет собой комбинацию Э. а. элементарных стадий. Иногда, помимо истинной Э. а., определяемой по уравнению Аррениуса, используют понятие «кажущейся» Э. а. Например, если константы скоростей гетерогенно-каталитических реакций определяют по изменению объемных концентраций исходных веществ и продуктов, то кажущаяся Э. а. отличается от истинной на величину тепловых эффектов, сопровождающих процессы адсорбции (См. Адсорбция) и десорбции реагирующих веществ на поверхности катализатора. В неравновесных системах, например плазмохимических (см. Плазмохимия), определение Э. а. является очень сложной задачей. В некоторых случаях, однако, возможно формальное применение уравнения Аррениуса.

Э. а. — важнейшее понятие кинетики химической (См. Кинетика химическая); ее значения включают в специальные справочники и используют в химической технологии для расчета скоростей реакций в различных условиях.

 

 

 

Сложные химические реакции. Обратимые, параллельные и последовательные реакции. Метод квазистационарных концентраций (метод Боденштайна).

Реакции, протекающие в одну стадию, называют простыми (элементарными) реакциями, а реакции, включающие несколько стадий - сложными. Многие органические реакции являются сложными и идут в несколько элементарных стадий (последовательных или параллельных). Общая скорость сложной химической реакции определяется скоростью ее наиболее медленной (лимитирующей) стадии.

Сделать вывод о том, является реакция элементарной или сложной, можно на основании результатов изучения её кинетики. Реакция является сложной, если экспериментально определенные частные порядки реакции не совпадают с коэффициентами при исходных веществах в стехиометрическом уравнении реакции; частные порядки сложной реакции могут быть дробными либо отрицательными, в кинетическое уравнение сложной реакции могут входить концентрации не только исходных веществ, но и продуктов реакции.

Классификация сложных реакций

Последовательные реакции.

Последовательными называются сложные реакции, протекающие таким образом, что вещества, образующиеся в результате одной стадии (т.е. продукты этой стадии), являются исходными веществами для другой стадии. Схематически последовательную реакцию можно изобразить следующим образом:

А ––> В ––> С ––> ...

Число стадий и веществ, принимающих участие в каждой из стадий, может быть различным.

Параллельные реакции.

Параллельными называют химические реакции, в которых одни и те же исходные вещества одновременно могут образовывать различные продукты реакции, например, два или более изомера:

Сопряжённые реакции.

Сопряжёнными принято называть сложные реакции, протекающие следующим образом:

1) А + В ––> С

2) А + D ––> Е,

причём одна из реакций может протекать самостоятельно, а вторая возможна только при наличии первой. Вещество А, общее для обеих реакций, носит название актор, вещество В – индуктор, вещество D, взаимодействующее с А только при наличии первой реакции – акцептор.

Цепные реакции.

Цепными называют реакции, состоящие из ряда взаимосвязанных стадий, когда частицы, образующиеся в результате каждой стадии, генерируют последующие стадии. Как правило, цепные реакции протекают с участием свободных радикалов. Для всех цепных реакций характерны три типичные стадии, которые мы рассмотрим на примере фотохимической реакции образования хлороводорода.

1. Зарождение цепи (инициация):

Сl2 + hν ––> 2 Сl•

2. Развитие цепи:

Н2 + Сl• ––> НСl + Н•

Н• + Сl2 ––> НСl + Сl•

Стадия развития цепи характеризуется числом молекул продукта реакции, приходящихся на одну активную частицу – длиной цепи.

3. Обрыв цепи (рекомбинация):

Н• + Н• ––> Н2

Сl• + Сl• ––> Сl2

Н• + Сl• ––> НСl

Обрыв цепи возможен также при взаимодействии активных частиц с материалом стенки сосуда, в котором проводится реакция, поэтому скорость цепных реакций может зависеть от материала и даже от формы реакционного сосуда.

Реакция образования хлороводорода является примером неразветвленной цепной реакции – реакции, в которой на одну прореагировавшую активную частицу приходится не более одной вновь возникающей. Разветвленными называют цепные реакции, в которых на каждую прореагировавшую активную частицу приходится более одной вновь возникающей, т.е. число активных частиц в ходе реакции постоянно возрастает. Примером разветвленной цепной реакции является реакция взаимодействия водорода с кислородом:

1. Инициация:

Н2 + О2 ––> Н2О + О•

2. Развитие цепи:

О• + Н2 ––> Н• + ОН•

Н• + О2 ––> О• + ОН•

ОН• + Н2  ––>  Н2О + Н•