Термохимияның негізгі мақсаты

Термохимия – химиялық динамиканың бөлімі, ол химмиялық реакциялардың жылу эффектісін және реакцияның жүру барысындағы элементтердің физико-химиялық параметрлеріне тәуелділігін қарастырады. Сонымен қатар термохимия мақсатына жылудың фазалық өтулер, ерулер, қосылу, тағы басқа процестер, жылу сыйымдылықты меңгеру және заттардың энтальпиясы мен энтропиясы кіреді. Термохимияның негізгі тәсілі – калориметрия болып табылады. Кей жағдайларда калориметриялық емес те тәсілдер (тепе-теңдік константасын өлшеу нәтижелерінен жылу эффектілерін санау) қолданылады, алайда бұл жағдайларда нәтижелер онша дәл болмайды.

         1840 жылы Гесс атты химик тамаша заң ашты, кейіннен осы заңға оның аты беріліп, бұл заң реакцияның жылу эффектісін, заттардың түзілу жылулығын немесе олардың жануын есептеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар тузілуі қиын, ал кейде мүлде мүмкін емес реакцияның жылу эффектісін табуға жол ашты. Есептеуге қажетті стандартты жылу түзілулер DН_түз^о фундаменталды термохимиялық анықтамаларда жиылған.

         ХІХ ғасылдың ортасында Томсон және Бертло ой тұжырымдады, олардың айтуы бойынша, энергиясыз болып жатқын химиялық реакциялар максималды жылу бөлінген жаққа ағады. Олармен және олардың шәкірттерімен термохимияның негізгі эксперименталдық тәсілдері жасалды және көптеген реакциялардың жылу эффектілері өлшенді.

         Жалпы алғанда Бертло-Томсеннің мәлімдемелері шындыққа сай болмады, бірақ термохимияда белгілі бір шартта химиялық реакциялардың ағу мүмкіндігін зерттеу маңызы сақталды. Сонымен, DН-ТDS=-RTlnK_p – термодинамиканың бірінші және екінші бастамасының жалпы теңдеуі болып табылып (DН – энтальпия өзгеруі, DS – химиялық реакция кезіндегі энтропияның өзгеруі, Т – температура, R – газ тұрақтысы), кез-келген реакцияның тепе-теңдік констартасын К_р жылулық өлшемдер арқылы есептеуге мүмкіндік береді.

         Энтальпия өзгеруін (жылу эффект) лабораторияда оңай есептеуге болады. Мұны көбіне реакция шекарасын қоршап жасайды: бұл кезде энергия алмасу жүзеге асады. Егер реакция экзотермиялық болса, онда су қызады, ал егер эндотермиялық болса, онда суиды. Егер судың температура өзгеруін өлшесе және су массасы мен оның меншікті жылу сыйымдылығы белгілі болса, бұл жағдайдахимиялық реакция кезінде жұтқан немесе бөліп шығарған энергия мөлшерін табуға болады.

         Басқа тәсілдер мен өлшеулерге қарағанда 1-суретте көрсетілген қондырғы көмегімен DН-тың нақты шамасын алуға болады. Бұл қондырғы – калориметрлік бомба деп аталады және заттардың жану жылуын өлшеуге арналған.

         Кейбір реакциялармен DН өлшеуге болады. Мысал ретінде метанның жану реакциясын алуға болады. Бұл реакцияның DН қарапайым асүйлік жабдық пен газ плитасын қолданып табуға болады.

         Ал басқа реакцияларға мұны орындау қиынға түседі. Мысалға, СаСО₃ түзілу (еру) реакциясына 800⁰С-дан артық температура қажет. Бұл жағдайда берілген энергияны табу үшін суды қолдану қиынға түседі.бұл жағдайларда энтальпияның өзгеруін табу жанама жүріп, энтальпиялық циклдер қолданылуымен жүзеге асады.

         Жоғарыда айтылғандай, калориметрия реакцияның жылу эффектісін анықтауға, соның ішінде ол тұздардың еру жылуын немесе басқа қосылыстардың суда, не басқа еріткіштерде еруін анықтау үшін пайдаланылады. Бұл термохимияның ең қызықты мақсаты болып табылады, өйткені тұз еріген кездегі бөлінген жылу заттарды қыздыру немесе суыту үшін пайдаланылады.

Реакцияның жылу эффектісін немен белгілейді?

Айта келе, реакцияның жылу эффектісінің өэгеруі қалай анықталады.

Ерітінділердің түзілу процесі молекулярлы деңгейде келесі түрде байқауға болады. Әрбір таза заттың молекулалар тобы алдымен мына түрде орналасуы керек: молекулалар бір-бірінен ерітіндінің соңғы концентрациясына сәйкестендіріліп алшақтатылуы қажет (мысалы, метанолдың судағы ерітіндісінде метанол молекулалары бір-бірінен өте алшақ орналасқан, ал су молекулалары таза судағыдай жақын орналасады). Келесіде алшақтатылған молекулалар жүйесі соңғы тығыздықты ерітінді түзілетіндей жақындатылуы керек. Біріншіден бөлшектер бөлектенуі үшін индивидуалды заттар энергия жұтуы қажет; алайда «алшақтатылған» жүйелер бөлшектері жақындап, ерітінді түзген кезде энергия бөлінеді. Бөлшектердің орын ауыстыруы жүйенің статистикалық «кездейсоқтығын» ұлғайтады және энтропияның ұлғаюымен қатар жүреді.

Еру процесіне Гиббс энергиясының кері әсермен өзіндік ағу нәтижесінде еріткіш бөлшектерінің және ерітіндінің араласуына тән қасиет.

Ерітінділердің түзілуінің негізгі айырмашылықтары энергияның бөлінуі мен жұтылуында және бөлшекаралық орындардың өзгеруіне байланысты болып келеді. DН өлшемдері еру процесінде бір-бірінен ерекшеленеді. Бөлшектердің айырылуына кеткен энергия көлемінен жылжуға кеткен энергия көлемі артық болып келген жағдайда, ерітінділердің түзілуі – экзотермиялық процесс болып есептеледі. Егер де бөлшектердің орын ауыстыруына қарағанда айырылуына көбірек энергия қоры жұмсалса, онда бұл еру процесі – эндотермиялық процесс (энтальпия өзгерісі болады) болып есептеледі. Айталық, энтальпиялық функция Гиббс энергиясына DG=DH-TDS өзгеріс әкелсе, онда арнайы эндотермиялық процесс үшін шекті еруді күтсе болады; бұл шынында да термодинамикалық өлшемдермен расталады. Бірақ молекулярлы деңгейде эндотермияның жүрісінің еру процесінде әртектес бөлшектермен салыстырғанда таза сұйықтықтағы біртектес бөлшектер бір-бірін күштірек тартады делінген. Осыдан келе, әртектес бөлшектердің жылжуына кеткен энергияға қарағанда біртектес бөлшектердің бөлінуіне көбірек энергия жұмсалуы қажет.

Жоғарыда келтірілген мысалдар жобалап алынған, бірақ шындығында ерітінділердің көрсететін қасиеттері тым күрделірек. Мысалы, ақырғы ерітінді кездейсоқ реттелген бөлшектерден тұратын жүйе, мұны қарастырғанда ерітіндіде реттелген структура болуының мүмкін екенін аңғармаған. Егер ерітіндінің пайда болуына реттелген структура бар болуы әсер етсе, онда энтропия өзгеруінің мәні анализденбейтін аз оң шама.

Ерітіндінің түзілуі химиялық компоненттерінің потенциалдары ерітіндіге өту кезінде азайғанға дейін жүреді. Бөлшектердің тартылу есебінен энергиялық эффектілер және бөлшектердің орын ауыстыру нәтижесінде, еру процесінде химиялық потенциалының төмендеуімен түсіндіріледі. Егер де біртекті бөлшектердің тартылу энергиясы әртекті бөлшектерге қарағанда көбірек болса, онда химиялық потенциалдың төмендеуі өте сұйытылған ерітіндіге ғана көп, ал содан соң ол білінбей кетеді. Сол кезде екі заттың ортақ жоғары немесе төмен ерігіштікке тәуелділігін айтса болады; бұл үшін тек қана біртекті бөлшектердің тартылу деңгейін білу қажет.

Булану жылуы өте ыңғайлы, әрі жеткілікті тартылу энергиясы болып қызмет етеді, алайда басқа факторларды естен шығанмаған жөн, мысалы: молекула өлшемдері және бөлшектердің спецификалық әсерлесуі. Жалпы алғанда, екі компоненттің еруі шекті болады, егер екеуінің біреуінде булану жылуы көп үлкен мінге ие болса.

Екі ерітіндінің араласуында ерудің бүкіл, мүмкін болғанынша, градиялары байқалады: бір-бірімен мүлде араласпауынан (мысалы, сынап және су) бастап, біртекті ерітінді түзілгенге дейін кез-келген жағдайда араласуы (мысалы, этанол және су). Еруі шектеулі қоспалар аралық орын алады. Сұйықтық қоспалар А және В (мысалы, анилин және су) шайқағаннан кейін екі аралыққа бөлінеді: қаныққан ерітінді А В-да және қанықпаған ерітінді В А-да. Алайда А және В компоненттері біртекті қоспа түзілуі үшін белгілі температура және құрам облыстары болуы мүмкін.

Термохимиялық өлшеулер

              Ерітінділердің қасиеттері әр түрлі болғандықтан, олар термодинамикалық қасиеттеріне қарай жіктеледі. Бұл көзқарастан идеал және идеал емес ерітінділерді бөледі. Көпшілік физико-химиялық өлшеулер үшін процеске түсетін заттың жылусыйымдылығын, сонымен қатар еру процесінің жылу эффектілерін, фазалық ауысуын және химиялық реакцияларды білу қажет. Бөлме температурасына (20-50⁰С) жуық температура кезінде калориметриялық әдіс кеңінен пайдаланылады.

              Калориметриялық әдіс кезінде жылу эффектінің Q белгісі мен мөлшерін калориметр температурасын Dt өлшеу арқылы анықтайды:

Q=(∑m_ic_i)Dt=c_wDt

              мұнда, m_i–зерттелетін заттың массасы, калориметр және қасымша тетіктер (араластырғаш, ампула, термометр); c_i– зеттелетін заттың меншікті жылу сыйымдылығы; c_w- калориметриялық жүйенің суммалық жылу сыйымдылығы.

              1-теңдеу былай жазылуы мүмкін

Q=(K+m₁c₁)Dt

              мұнда, К – калориметр тұрақтысы, яғни жылуалмасуға қатысатын көмекші тетіктер мен калориметр бөлшектерінің жылу сыйымдылығы, Дж/К; с₁ – калориметр құрамының жылу сыйымдылығы; Dt– калориметр мен қоршаған орта арасындағы жылу алмасу жоқ кездегі процесс температурасының өзгеруі.

1 2 3

скачать работу

Отправка СМС бесплатно