Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 27 из 68)
6.5. Вопросы и задания:
1. Чем определяется громадное разнообразие органических молекул?
2. Что такое изомерия? Какие виды изомерии вы знаете?
3. Перечислите основные функциональные группы и соответствующие им классы органических соединений.
4. Дайте характеристику природным полимерам.
5. На какие группы делятся синтетические ВМС?
6. Какие способы получения полимерных соединений (ВМС) вы знаете?
7. Чему равна степень полимеризации бутилена СН=СН-СН-СН при получении изобутилена с Мч = 56000?
8. Составьте уравнение полимеризации ацетилена С2Н2. Какими специфическими свойствами обладает полиацетилен?
9. Составьте уравнение получения найлона-6,8 при поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Какое количество мономеров следует взять, чтобы получить ВМС со степенью полимеризации 1000?
10. Волокно энант получают поликонденсацией аминоэнантовой кислоты H2N – (CH2)6 –COOH. Напишите уравнение поликонденсации и определите массу аминоэнантовой кислоты, которая потребуется для получения 150 г волокна.
Лекция 7. Химическая термодинамика и кинетика
7.1. Химическая термодинамика
Термодинамика – это наука о взаимных превращениях различных форм энергии: тепловой, электрической, химической, механической и т.д. Таким образом, современная термодинамика охватывает все процессы, с которыми сталкивается человек в своей практической деятельности.
Термодинамической системой называется любая совокупность частиц или физических тел, которые каким-либо образом взаимодействуют между собой. Системой может быть любая исследуемая макроскопическая часть Вселенной. Обычно это совокупность тел, условно отделенных от окружающей среды. Например, раствор в колбе, сжатый поршнем газ, тепловая машина, космический корабль и т.д. Окружающей средой называется все находящееся за пределами системы. Термодинамическая система, лишенная возможности обмена с окружающей средой как массой, так и энергией, называется изолированной. В природе такие системы не существуют, они имеют лишь теоретическое значение. Термодинамическая система, соприкасаясь с окружающей средой, может вступать с ней в обмен и веществом, и энергией. Если это происходит, то система называется открытой. Термодинамическая система, лишенная возможности обмениваться веществом с окружающей средой, но обменивающаяся с ней энергией, называется закрытой.
Состояние термодинамической системы определяется ее термодинамическими параметрами, или функциями состояния. Функцией состояния называется такая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида соответствующего этому переходу термодинамического процесса, а целиком определяется значениями параметров начального и конечного состояний. Для химической системы такими параметрами могут быть масса, давление, объем, температура и концентрация реакционной смеси. Эти параметры, или функции состояния термодинамической системы, являются интенсивными величинами, так как не зависят от массы системы. Экстенсивные величины зависят от массы системы. Это, например, внутренняя энергия термодинамической системы, которая представляет собой сумму энергий движения и взаимодействия всевозможных частиц, их которых состоит система. Экстенсивными величинами являются такие функции состояния системы, как энтальпия, энтропия и химический потенциал.
Химическая термодинамика изучает процессы, происходящие в химических системах. Как и все остальные системы Вселенной, химические системы подчиняются законам термодинамики.
7.2. Законы термодинамики
Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, сформулированный в 1847 г. немецким физиком Германом Людвигом Фердинандом Гельмгольцем гласит:
Мир состоит из атомов, атомы обладают потенциальной (тяготение) и кинетической (движение) энергией. Сумма потенциальных и кинетических энергий частиц, из которых построено тело или система тел, не может измениться, если эта система не подвержена внешним воздействиям.
Другими словами, полная энергия изолированной системы есть величина постоянная.
Закон сохранения энергии – это строжайший «бухгалтер» прихода и расхода энергии. В любом явлении приход должен точно сойтись с расходом. Энергия может переходить из одной формы в другую, но не может возникать или исчезать. Современная физика знает, что энергия и масса эквивалентны и связаны меж собой знаменитым эйнштейновским соотношением Е=mc2, где Е – энергия системы; m – еѐ масса, а c – скорость света. Это значит, что масса может превращаться в энергию, а энергия – рождать массу. Однако на макроуровне, в частности, в химических системах, масса превращается в энергию в такой незначительной степени, что закон сохранения массы и закон сохранения энергии можно считать независимыми законами. Первый закон термодинамики не ограничивает протекание термодинамических процессов.
Ограничение на них накладывает второй закон термодинамики. Этот закон был сформулирован в 1850 году немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (Готлибом) в таком виде: «самопроизвольная передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому невозможна». В 1850 Клаузиус ввел понятие энтропии как свойства системы в процессе работы превращать часть своей внутренней энергии на бесполезную теплоту. Второй закон термодинамики можно назвать «налоговым инспектором», взимающим налог в виде энтропийной теплоты за любую произведенную системой работу. В изолированной системе энтропия стремится к максимуму. Энтропия есть мера хаоса, так как чем больше в системе энтропийной теплоты, тем быстрее хаотической движение составляющих ее молекул, тем больше беспорядок в данной системе. Это значит, что второй закон термодинамики носит вероятностный характер: система самопроизвольно стремится в состояние большего хаоса потому, что такое состояние более вероятно, чем порядок. В изолированной системе энтропия стремится к максимуму.
Австрийский учѐный Людвиг Больцман (1844-1906) нашел связь между законом возрастания энтропии и случайностью. Математически она имеет вид:
SK lgW , (7.1)где S - энтропия, К – константа Больцмана, равная 1,38∙10-23 Дж/град, W – число возможных микросостояний частиц, составляющих макросистему, посредством которых может реализоваться макросостояние системы; W называют также термодинамической вероятностью макросостояния системы.
Рассмотрим воображаемую систему из двух сосудов с одинаковым газом, разделенных заслонкой. Предположим, что мы сначала нагрели газ в левом сосуде, а затем открыли заслонку. Через некоторое время температура в обоих сосудах выровняется и наступит состояние равновесия: параметр «температура» будет оставаться постоянным, так как мы считаем свою систему изолированной, лишенной обмена энергией с окружающей средой. Равновесие наступило потому, что более «горячие» частицы, сталкиваясь с более «холодными», сообщили им часть своей энергии. В результате произошло выравнивание энергии между всеми частицами. А можно ли совершить обратный процесс и направить все «горячие» молекулы в левый сосуд, а «холодные» оставить в правом? Английский естествоиспытатель Джеймс Клерк Максвелл (1831 -1879), занимаясь изучением газовых систем, задался тем же вопросом. Для того, чтобы получить в левом сосуде газ с более высокой температурой без нагревания, то есть систему с заданным порядком – горячие молекулы слева, холодные справа - Максвелл «посадил» у перегородки некоего «любителя порядка», – физики называют его «демоном Максвелла», – который должен бы был сортировать хаотически перемешанные молекулы газа, перенося только «горячие», то есть имеющие большую скорость, молекулы налево, а
«холодные» с меньшими скоростями направо. Сколькими способами можно получить желаемый порядок? Только одним, когда у перегородки будет сидеть «демон Максвелла» и направлять молекулы туда, куда следует. А сколькими способами можно получить состояние, отличное от «заказанного» порядка? Первое такое состояние наступит, когда одна «горячая» молекула останется в правом сосуде, а одна «холодная» окажется в левом. Если учесть, что в 1 кубическом сантиметре воздуха находится 2,687∙1019 молекул (число Лошмидта), количество возможных «беспорядочных» микросостояний достигает 10300000000000000000000. Понятно, что вероятность перехода в состояние беспорядка неизмеримо выше, и именно такой переход и происходит в изолированной системе самопроизвольно, то есть без вмешательства извне. Чисто теоретически самопроизвольный переход системы в упорядоченное состояние возможен, но такое поведение системы крайне маловероятно. Из (7.1) вытекает, что энтропия S=0 в той системе, для которой W=1. Исходя из этого, в 1911 году Макс Планк предложил следующий постулат: энтропия идеального кристалла чистого вещества при абсолютном нуле равна нулю. Этот постулат называют третьим (или нулевым) законом термодинамики. Абсолютным нулѐм называется такая температура, при которой отсутствует любое движение составляющих систему элементов, или W = 1. Это ноль градусов по шкале Кельвина, или -273 градуса по шкале Цельсия. На основании третьего закона термодинамики можно определить значения энтропии системы в произвольном равновесном состоянии.
Повышение температуры любого тела ведет к увеличению энтропии. В фазовых переходах (плавление, кристаллизация, кипение, конденсация, сублимация и т.п.) энтропия меняется скачкообразно при постоянной температуре.