Глава 9. Резюме (Summary)

9.1 Основы энергии

Энергия — это способность сообщать теплоту или совершать работу (прилагать силу для перемещения вещества). Кинетическая энергия (\(E_\text{к}\)) — это энергия движения; потенциальная энергия — энергия, связанная с взаимным расположением частиц, их составом или состоянием. При превращении энергии из одной формы в другую она не создаётся и не уничтожается (закон сохранения энергии, или первое начало термодинамики).

Тепловая энергия вещества обусловлена кинетическими энергиями составляющих его атомов или молекул. Температура — интенсивное свойство вещества, отражающее степень его нагретости или холодности и возрастающее с увеличением средней кинетической энергии частиц. Теплота — это перенос тепловой энергии между телами с разной температурой. Химические и физические процессы могут поглощать теплоту (эндотермические) или выделять её (экзотермические). Единица энергии, теплоты и работы в СИ — джоуль (Дж).

Удельная теплоёмкость и теплоёмкость — меры количества энергии, необходимого для изменения температуры вещества или тела. Количество теплоты, поглощённой или выделившейся веществом, прямо зависит от вида этого вещества, его массы и изменения температуры.

9.2 Калориметрия

Калориметрия используется для измерения количества тепловой энергии, переданной в ходе химического или физического процесса. Метод требует точного измерения изменения температуры, происходящего в ходе процесса, а также масс системы и окружающей среды. По измеренным величинам с помощью известных математических соотношений рассчитывают количество теплоты, выделившейся или поглощённой в процессе.

Калориметры устроены так, чтобы свести к минимуму обмен энергией между их содержимым и внешней средой. Они варьируются от простейших калориметров типа «кофейного стаканчика», используемых на вводных курсах химии, до сложных калориметров-бомб, применяемых для определения энергетического содержания пищи.

9.3 Энтальпия

Если химическое превращение проводится при постоянном давлении, а единственная совершаемая работа обусловлена расширением или сжатием системы, то \(q\) для этого процесса называют изменением энтальпии и обозначают \(\Delta H\) (либо \(\Delta H^\circ\) для реакций в стандартных условиях при \(298\ \text{К}\)). Значение \(\Delta H\) для реакции в прямом направлении равно по модулю и противоположно по знаку \(\Delta H\) для обратной реакции; кроме того, \(\Delta H\) прямо пропорционально количеству исходных веществ и продуктов.

Стандартная энтальпия образования \(\Delta H_f^\circ\) — это изменение энтальпии при образовании \(1\ \text{моль}\) вещества из соответствующих простых веществ, взятых в наиболее устойчивых формах при \(1\ \text{бар}\) и \(298{,}15\ \text{К}\). Если известны энтальпии образования исходных веществ и продуктов реакции, то изменение энтальпии можно рассчитать по закону Гесса: если процесс можно записать как сумму нескольких пошаговых процессов, то изменение энтальпии полного процесса равно сумме изменений энтальпии этих стадий.

9.4 Прочность ионных и ковалентных связей

Прочность ковалентной связи характеризуется её энергией связи (энергией диссоциации связи) — количеством энергии, необходимым для разрыва данной связи в \(1\ \text{моль}\) молекул. Кратные связи прочнее одинарных связей между теми же атомами. Изменение энтальпии реакции можно оценить, исходя из энергии, затрачиваемой на разрыв связей, и энергии, выделяющейся при образовании новых связей. Для ионных связей энергией кристаллической решётки называют энергию, необходимую для разделения \(1\ \text{моль}\) соединения на газообразные ионы. Энергия решётки возрастает с увеличением зарядов ионов и с уменьшением расстояния между ними. Энергии кристаллической решётки часто рассчитывают с помощью цикла Борна–Габера — термохимического цикла, включающего все энергетические стадии превращения простых веществ в ионное соединение.