1. Закон — он и в химии закон
Закон сохранения энергии (его называют также первым законом термодинамики) — один из наиболее важных законов природы. Он гласит: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую. Энергия может проявляться в самых разных видах. Например, в механике это может быть энергия летящей пули или потенциальная энергия груза, поднятого на некоторую высоту. В физике мы встречаемся также со световой, электрической, магнитной и другими видами энергии. В общем случае энергия складывается из трех основных видов: кинетической энергии движения системы в целом; потенциальной энергии, обусловленной положением системы в каком-либо внешнем поле (например, гравитационном поле Земли); внутренней энергии.
При рассмотрении химических реакций, как правило, несущественны потенциальная и кинетическая энергия системы в целом. Действительно, химики не швыряют пробирки и колбы с реагентами, чтобы заставить реакции идти, а используют другие способы. Но даже если кинуть колбу со всей силой со скоростью 10 м/с, то при массе реагентов 1 кг они приобретут дополнительную энергию, равную всего лишь
W/2 = 50 Дж = 0,05 кДж.
Это по сравнению с изменением внутренней энергии в ходе химической реакции ничтожно малая величина.
Рассмотрим, из чего складывается внутренняя энергия тела. Видов внутренней энергии довольно много. Это и кинетическая энергия движения атомов, молекул, ионов, и энергия их взаимного притяжения и отталкивания, и внутримолекулярная энергия взаимодействия ядер и электронов друг с другом, и внутриядерная энергия... Мы даже не знаем всех видов внутренней энергии тел. Для химических реакций наиболее важна энергия, связанная с движением электронов в атомах, их притяжением к ядрам, взаимным отталкиванием электронов и ядер. Именно этот вид энергии отвечает за образование химических связей, за протекание разнообразных химических реакций и часто называется просто химической энергией. Она, например, определяет, почему фтор и нитроглицерин химически более реакционноспособны, чем соответственно азот или метан;
Абсолютное значение внутренней энергии в точности определить невозможно, в частности, из-за того, что нельзя привести тело в состояние, лишенное внутренней энергии, и принять это состояние за точку отсчета. Поэтому говорят только об изменении внутренней энергии в том или ином процессе.
Кинетическую энергию движения молекул в целом, а также энергию колебаний атомов в молекуле называют тепловой
энергией. Мерой тепловой энергии является температура тела. Различные виды энергии сравнительно легко могут переходить в тепловую энергию (приведите примеры). Если химическая энергия продуктов реакции меньше энергии исходных веществ, то избыточная энергия может выделиться, например, в виде световой энергии, но чаще всего она выделяется в виде теплоты.
Тепловая энергия и, следовательно, температура тела определяются тремя видами движения: поступательным и вращательным движением молекул как целого, а также колебаниями атомов в молекулах относительно друг друга. Вклад того или иного движения в суммарную тепловую энергию сильно зависит от типа молекул и агрегатного состояния вещества. В газах молекулы движутся свободно по прямой, пока не испытают столкновения с другими молекулами или со стенкой сосуда. В твердом теле молекулы или ионы нахо?Нтся фактически на одном месте — в узлах кристаллической решетки и могут совершать только колебания около положения равновесия. Увеличение тепловой энергии, т.е. повышение температуры сопровождается увеличением скорости движения молекул в газах или усилением колебаний в твердых телах. Жидкости занимают в этом отношении промежуточное положение между газами и твердыми телами.
Тепловое движение многоатомных молекул проявляется также в различных типах колебаний атомов внутри молекулы и во вращении молекулы как целого.
Повышение температуры приводит к усилению всех трех видов движения:
поступательного, колебательного и вращательного. В твердых телах и жидкостях молекулы (или ионы) расположены почти вплотную друг к другу, поэтому, если какая—либо молекула получит избыток тепловой энергии, он очень быстро перераспределится по всему телу, и его температура немного возрастет. В газах перераспределение энергии между молекулами происходит при их столкновениях. А столкновения между ними очень часты — миллиарды раз в секунду для каждой молекулы (при атмосферном давлении). Для того чтобы разные виды энергии молекул могли перейти друг в друга, требуется всего от нескольких десятков до нескольких сот столкновений. В газах происходит очень быстрый переход поступательной энергии в колебательную и вращательную и наоборот. Поэтому, говоря о тепловой энергий (или температуре), мы будем иметь в виду сумму поступательной, колебательной и вращательной энергий.
Энергия измеряется в джоулях; для удобства записи часто используют более крупную единицу - килоджоуль: 1 кДж = 1000 Дж. Большая ли это величина 1 Дж? Ее хватает лишь на то, чтобы нагреть 1 см3 воды (примерно объем маленького наперстка) всего на четверть градуса. Чтобы вскипятить небольшой чайник с 1,5 л воды, потребуется уже 500 кДж, а чтобы полностью выпарить это количество воды, надо затратить 3000 кДж.
Посмотрим теперь, в чем состоит особенность процессов превращения энергии и закон ее сохранения применительно к химическим реакциям. Начнем со всем знакомой и наглядной аналогии из механики. Представим себе, что на высокой горе лежит тяжелый камень, да так неудачно, что достаточно легкого толчка — и камень покатится вниз. На вершине горы камень обладает определенным запасом потенциальной энергии, которую легко подсчитать: она равна mgh (где т — масса камня, g — ускорение свободного падения, h — высота горы). Таким образом, потенциальная энергия камня прямо пропорциональна высоте горы: чем выше камень, тем большим запасом потенциальной энергии он обладает.
Куда же девается эта энергия, когда камень скатывается с горы? На этот вопрос можно ответить, исходя из закона сохранения энергии. В то время как камень катится вниз, его потенциальная энергия в результате трения и ударов целиком превращается в тепловую: камень и гора чуть-чуть нагреваются. Так, При падении камня массой 1 кг с горы высотой 1 км выделяется 10 кДж тепловой энергии, откуда можно определить нагрев камня, если предположить, что ему передается половина выделившейся энергии и известны его масса и теплоемкость.
Если камень может скатиться с вершины в разных направлениях, то выделяющаяся при этом тепловая энергия может оказаться неодинаковой: она будет максимальной при падении камня в самую глубокую долину, где запас потенциальной энергии камня будет самым низким из всех возможных.
Конечно, находящийся на вершине горы камень "не знает", в какой стороне расположена самая глубокая долина. Поэтому вначале он может скатиться не по самому энергетически выгодному пути. Но если из долины, куда камень попал вначале, есть путь в самую глубокую долину, камень может потом скатиться туда, выделив дополнительное количество тепловой энергии, так что в сумме она окажется максимально возможной. Этот принцип справедлив не только для механических, но и для химических систем, как это мы увидим в дальнейшем.
Например, химическую энергию можно сопоставить с потенциальной энергией камня. Если в ходе реакции образуются вещества с меньшей химической энергией, чем у исходных веществ, то разница в энергии обычно выделяется в виде теплоты. Если реагенты могут превратиться в разные продукты, то каждому направлению реакции будет соответствовать выделение разной тепловой энергии.
При любых расчетах необходима точка отсчета, которую принимают за нуль. Нулевой уровень потенциальной энергии выбирают произвольно. Так, для системы камень — гора за нулевой уровень удобно принять потенциальную энергию камня, находящегося на поверхности земли. Тогда значение потенциальной энергии камня на горе будет иметь знак "плюс". А если камень, к примеру, упадет в колодец, вырытый у подножия горы, его потенциальная энергия станет еще меньше, чем на поверхности, а знак ее будет отрицательным, как это показано на рис.2.
Рассмотрим теперь химическую систему, например реагент А, который может превращаться в продукт реакции В. Предполагаем, что эта химическая система может свободно обмениваться тепловой энергией с окружающей средой, т.е. может как отдавать теплоту во внешнюю среду, так и получать из нее. В то же время никакие вещества не поступают в систему извне и никакие вещества из нее не уходят.
Реагент А обладает определенной химической энергией, которую можно сопоставить с потенциальной энергией камня на поверхности горы. Однако с количественной точки зрения химическая энергия может быть значительно большей по сравнению с потенциальной энергией механической системы той же массы. Как мы видели, подъем камня массой 1 кг на высоту 1 км придает камню потенциальную энергию, равную 10 кДж. Тепловая энергия значительно более "емкая": если такой же камень раскалить до 500°С, то его энергия увеличится уже примерно на 500 кДж. Еще больше может быть изменение химической энергии в веществе, где возможна реакция. Так, "камень" массой 1 кг, состоящий из смеси железа и серы, имеет запас химической энергии свыше 1000 кДж; эта энергия выделяется в виде теплоты при взаимодействии железа и серы. Все знают, какая большая энергия сосредоточена во взрывчатых веществах, различных видах топлива и т.д.
Внутренняя энергия атомных ядер еще больше. Например, в ядерной реакции, в которой один атом лития и один атом водорода превращаются в два атома гелия:
7
Li + 1Н -> 2 4Не,превращение 1 г лития сопровождается выделением 240 миллионов килоджоулей тепловой энергии, что эквивалентно энергии, выделяющейся при сжигании 8 т каменного угля!
Когда камень катится с горы, его потенциальная энергия может только уменьшаться, т.е. этот процесс всегда сопровождается выделением тепловой энергии и повышением температуры. Более интересно поведение химических систем. Может случиться так, что химическая энергия продуктов реакции меньше, чем у исходных веществ. В этом случае излишек энергии выделяется в виде теплоты; и химическая реакция будет подобна камню, скатившемуся с горы, когда его потенциальная энергия перешла в тепловую. Закон сохранения энергии гласит: тепловая энергия, выделившаяся в ходе химической реакции, равна изменению химической энергии. Однако нередки случаи, когда химическая энергия продуктов больше, чем у исходных веществ. Тогда в ходе реакции недостаток химической энергии будет восполнен за счет тепловой энергии. Здесь мы уже не сможем найти прямую аналогию с механическим движением
Назад
Поддержите сайт, поставте на нас ссылку. | |
| Пример ссылки | Код ссылки |
| Мир химии | |
| Выбрать другой баннер... | |
