М. Рябов - Сборник основных формул по химии для ВУЗов
Водородная связь – связь между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом (F, CI, N) другой молекулы.
Существование водородной связи объясняет аномальные свойства воды: температура кипения воды гораздо выше, чем у ее химических аналогов: tкип(Н2O) = 100 °С, а tкип(H2S) = -61°C. Между молекулами H2S водородные связи не образуются.
4. Закономерности протекания химических процессов
4.1. Термохимия
Энергия (Е) – способность производить работу. Механическая работа (А) совершается, например, газом при его расширении: А = р • ΔV.
Реакции, которые идут с поглощением энергии, – эндотермические.
Реакции, которые идут с выделением энергии, – экзотермические.
Виды энергии: теплота, свет, электрическая, химическая, ядерная энергия и др.
Типы энергии: кинетическая и потенциальная.
Кинетическая энергия – энергия движущегося тела, это работа, которую может совершить тело до достижения им покоя.
Теплота (Q) – вид кинетической энергии – связана с движением атомов и молекул. При сообщении телу массой (m) и удельной теплоемкостью (с) теплоты ΔQ его температура повышается на величину Δt: ΔQ = m • с • Δt, откуда Δt = ΔQ/(c • т).
Потенциальная энергия – энергия, приобретенная телом в результате изменения им или его составными частями положения в пространстве. Энергия химических связей – вид потенциальной энергии.
Первый закон термодинамики: энергия может переходить из одного вида в другой, но не может исчезать или возникать.
Внутренняя энергия (U) – сумма кинетической и потенциальной энергий частиц, составляющих тело. Поглощаемая в реакции теплота равна разности внутренней энергии продуктов реакции и реагентов (Q = ΔU = U2 – U1), при условии, что система не совершила работы над окружающей средой. Если реакция идет при постоянном давлении, то выделяющиеся газы совершают работу против сил внешнего давления, и поглощаемая в ходе реакции теплота равна сумме изменений внутренней энергии ΔU и работы А = р • ΔV. Эту поглощаемую при постоянном давлении теплоту называют изменением энтальпии: ΔН = ΔU + р • ΔV, определяя энтальпию как Н = U + pV. Реакции жидких и твердых веществ протекают без существенного изменения объема (ΔV = 0), так что для этих реакций ΔН близка к ΔU (ΔН = ΔU). Для реакций с изменением объема имеем ΔН > ΔU, если идет расширение, и ΔН < ΔU, если идет сжатие.
Изменение энтальпии обычно относят для стандартного состояния вещества: т. е. для чистого вещества в определенном (твердом, жидком или газообразном) состоянии, при давлении 1 атм = 101 325 Па, температуре 298 К и концентрации веществ 1 моль/л.
Стандартная энтальпия образования ΔНобр – теплота, выделяемая или поглощаемая при образовании 1 моль вещества из простых веществ, его составляющих, при стандартных условиях. Так, например, ΔНобр(NaCl) = -411 кДж/моль. Это означает, что в реакции Na(тв) + ½Cl2(г) = NaCl(тв) при образовании 1 моль NaCl выделяется 411 кДж энергии.
Стандартная энтальпия реакции ΔН – изменение энтальпии в ходе химической реакции, определяется по формуле: ΔН = ΔНобр(продуктов) – ΔНобр(реагентов).
Так для реакции NH3(г) + HCl(г) = NH4Cl(тв), зная ΔHo6p(NH3)=-46 кДж/моль, ΔHo6p(HCl) = -92 кДж/моль и ΔHo6p(NH4Cl) = -315 кДж/моль имеем:
ΔH = ΔHo6p(NH4Cl) – ΔHo6p(NH3) – ΔHo6p(HCl) = -315 – (-46) – (-92) = -177 кДж.
Если ΔН < 0, то реакция экзотермическая. Если ΔН > 0, то реакция эндотермическая.
Закон Гесса: стандартная энтальпия реакции зависит от стандартных энтальпий реагентов и продуктов и не зависит от пути протекания реакции.
Самопроизвольно идущие процессы могут быть не только экзотермическими, т. е. процессами с уменьшением энергии (ΔН < 0), но могут быть и эндотермическими процессами, т. е. процессами с увеличением энергии (ΔН > 0). Во всех этих процессах «беспорядок» системы увеличивается.
Энтропия S – физическая величина, характеризующая степень беспорядка системы. S – стандартная энтропия, ΔS – изменение стандартной энтропии. Если ΔS > 0, беспорядок растет, если AS < 0, то беспорядок системы уменьшается. Для процессов в которых растет число частиц, ΔS > 0. Для процессов, в которых число частиц уменьшается, ΔS < 0. Например, энтропия меняется в ходе реакций:
СаО(тв) + Н2O(ж) = Са(OH)2(тв), ΔS < 0;
CaCO3(тв) = СаО(тв) + CO2(г), ΔS > 0.
Самопроизвольно идут процессы с выделением энергии, т. е. для которых ΔН < 0, и с увеличением энтропии, т. е. для которых ΔS > 0. Учет обоих факторов приводит к выражению для энергии Гиббса: G = Н – TS или ΔG = ΔН – Т • ΔS. Реакции, в которых энергия Гиббса уменьшается, т. е. ΔG < 0, могут идти самопроизвольно. Реакции, в ходе которых энергия Гиббса увеличивается, т. е. ΔG > 0, самопроизвольно не идут. Условие ΔG = 0 значит, что между продуктами и реагентами установилось равновесие.
При низкой температуре, когда величина Т близка к нулю, идут лишь экзотермические реакции, так как TΔS – мало и ΔG = ΔН < 0. При высоких температурах значения TΔS велико, и, пренебрегая величиной ΔН, имеем ΔG = – TΔS, т. е. самопроизвольно будут идти процессы с увеличением энтропии, для которых ΔS > 0, a ΔG < 0. При этом чем больше по абсолютной величине значение ΔG, тем более полно проходит данный процесс.
Величина AG для той или иной реакции может быть определена по формуле:
ΔG = ΔСобр(продуктов) – ΔGoбp(реагентов).
При этом величины ΔGoбр, а также ΔНобр и ΔSoбр для большого числа веществ приведены в специальных таблицах.
4.2. Химическая кинетика
Скорость химической реакции (v) определяется изменением молярной концентрации реагирующих веществ в единицу времени:
где v – скорость реакции, с – молярная концентрация реагента, t – время.
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции (температуры, концентрации, присутствия катализатора и т. д.)
Влияние концентрации. В случае простых реакций скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.
Для реакции
где 1 и 2 соответственно направление прямой и обратной реакции:
v1 = k1 × [А]m × [В]n и
v2 = k2 × [C]p × [D]q
где v – скорость реакции, k – константа скорости, [А] – молярная концентрация вещества А.
Молекулярность реакции – число молекул, участвующих в элементарном акте реакции. Для простых реакций, например: mA + nB → рС + qD, молекулярность равна сумме коэффициентов (m + n). Реакции могут быть одномолекулярными, двумолекулярными и редко трехмолекулярными. Реакции более высокой молекулярности не встречаются.
Порядок реакции равен сумме показателей степеней концентрации в экспериментальном выражении скорости химической реакции. Так, для сложной реакции
mA + nB → рС + qD экспериментальное выражение скорости реакции имеет вид
v1 = k1 × [А]α × [В]β и порядок реакции равен (α + β). При этом α и β находятся экспериментально и могут не совпадать с m и n соответственно, поскольку уравнение сложной реакции представляет собой итог нескольких простых реакций.
Влияние температуры. Скорость реакции зависит от числа эффективных столкновений молекул. Увеличение температуры увеличивает число активных молекул, сообщая им необходимую для протекания реакции энергию активации Еакт и увеличивает скорость химической реакции.
Правило Вант-Гоффа. При увеличении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 2–4 раза. Математически это записывается в виде:
v2 = v1 × γ(t2 – t1)/10
где v1 и v2 – скорости реакции при начальной (t1) и конечной (t2) температурах, γ – температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при увеличении температуры на 10°.
