МОСКОВСКАЯ ГОРОДСКАЯ ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ
ГИМНАЗИЯ – ЛАБОРАТОРИЯ № 1505
ученицы 9 класса «Б»
Корнеевой Ольги
Руководитель – Давыдочкина С. В.
Москва - 2011 г.
Наука химия изучалась людьми с древнейших времен. Еще в античной Греции философ Демокрит предположил существование атомов, мельчайших частиц вещества, из которых состоит все существующее. Сама химия – дочь известной лженауки алхимии, возникшей в IV веке нашей эры. И хотя алхимики занимались лишь поиском способов превращения неблагородных металлов в золото и достижения бессмертия, все же их опыты стали первыми шагами в развитии химии. Знаменитый немецкий химик Либих писал про алхимию, что она «никогда не была ничем иным, как химией».[1]
Как известно современным химикам, всякая жизнь на Земле невозможна без протекания химических реакций. Они происходят, когда живые существа питаются, спят, дышат. Они составляют основу создания и существования большинства современных предметов. Без химических реакций нашу планету не защищал бы озоновый слой, в недрах земли не скрывались бы полезные ископаемые, даже Солнце не светило бы. Поэтому химические реакции – одна из самых важных вещей на Земле, а их изучение – трудный, но очень полезный процесс.
Но охватить всю суть химических реакций в одном реферате невозможно. Можно лишь описать какую-то их сторону. Именно поэтому я и выбрала в качестве темы своего исследования, наверное, один из самых интересных и уж точно один из самых важных аспектов химических реакций – тепловой эффект.
Знание теплового эффекта нужно для многих технических расчетов. Например, зная тепловой эффект водорода и кислорода, можно построить реакцию этих веществ в нужных количествах и поднять в воздух целую космическую ракету и даже вывести ее на орбиту! В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии. Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий.[2]
Проще говоря, химические реакции, а вместе с ними и тепловой эффект, прочно вросли в современную жизнь человека и общества. Именно потому, что сейчас они являются неотъемлемой частью нашей жизни, и следует обратить внимание на эту тему. И именно поэтому эта тема взята мною за основу для моего реферата.
Глава первая. Основные понятия термодинамики.
Термодинамика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника (Тема моего реферата относится к химической термодинамике).
Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура» и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений.
В данной главе мы познакомимся с основными законами и понятиями термодинамики.
Термодинамические превращения подчиняются основным законам термодинамики – термодинамическим началам. Всего их 3, плюс примечание, называемое также нулевым началом термодинамики.
Первое начало термодинамики - закон сохранения энергии для термодинамических процессов. Он гласит:
Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую.
Энергия бывает разной. В физике рассматривают такие ее виды, как, например, потенциальная и кинетическая. В химии важнее внутренняя энергия веществ (энергия движения их молекул и атомов). Изменение внутренней энергии веществ в ходе х. р.[3] гораздо больше изменения их потенциальной и кинетической энергии. Поэтому при проведении лабораторных опытов мы не кидаемся пробирками с веществами для большего изменения их энергии (что нужно нам для проведения реакции), а используем другие способы. Часть внутренней энергии, связанная с движением электронов в атомах, называется химической энергией.
Кроме того, в х. р. важно знать тепловую энергию веществ. Так называют суммарную энергию атомов в молекуле и молекул в целом. Мерой тепловой энергии является температура тела. Кроме того, она зависит и от агрегатного состояния вещества, и от типа молекул. Тепловая энергия выделяется, например, когда химическая энергия исходных веществ в ходе х. р. больше, чем энергия продуктов.
Закон сохранения энергии для химических реакций гласит:
Тепловая энергия, выделившаяся в ходе х. р., равна изменению химической энергии.
Второе начало термодинамики имеет несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок.
1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием, или диссипацией, энергии.
2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.
Третье начало термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.
Энтропия (от греч. ἐντροπία — поворот, превращение) – в естественных науках — мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.
В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для инвариантности и вариативности исторического процесса.
Именно Клаузиус впервые ввел это слово в термодинамике в 1865 году. В термодинамике оно означает меру необратимого рассеивания энергии, меру отклонения реального процесса от идеального.
Существует также примечание к началам, или нулевой закон термодинамики.
Нулевое начало термодинамики гласит:
Для каждой изолированной термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она при фиксированных внешних условиях с течением времени самопроизвольно достигает.
При расчетах х. р. химикам важно знать эти законы.
Термодинамика содержит множество формул, описывающих преобразования энергии в ходе х. р., и все они подчиняются основным законам, речь о которых шла в данной главе. Существует еще не один закон, описывающий ход химических реакций. Один из таких законов – закон Гесса.
В отдельную статью выделяется закон термохимии, сформулированный русским химиком Германом Гессом в 1840 году. Этот закон является частным случаем первого начала термодинамики (применительно к х. р.)
Он гласит:
Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях[4], зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.
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). Например, окисление глюкозы в организме осуществляется по очень сложному многостадийному механизму, однако суммарный тепловой эффект всех стадий данного процесса равен теплоте сгорания глюкозы.[5]
Очень важны следствия из закона:
1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье — Лапласа).
2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования (ΔHf) продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν).
3. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания (ΔHc) исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты (ν).
Здесь следует рассказать подробнее о теплоте образования.
Теплота образования химического вещества – это тепловой эффект образования 1 моль этого вещества из простых веществ. Т. обр. обозначается символом ΔHf . Если реакция экзотермическая, то ΔHf < 0, а если эндотермическая, то ΔHf > 0. Причем при сильно эндотермических реакциях образовавшееся соединение часто оказывается нестабильным и распадается обратно на простые вещества. Теплоты образования веществ используют при расчете тепловых эффектов реакций, причем нужно знать как ΔHf исходных веществ, так и ΔHf продуктов реакции.
Теплота сгорания — это количество выделившейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объёмной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях. Теплота сгорания, отнесённая к единице массы или объёма топлива, называется удельной теплотой сгорания (Дж или кал на 1 кг, м³ или моль).