🗊Презентация Энергетика химических процессов

ЛЕКЦИЯ 2 ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ д.б.н., профессор Тамбовцева Р.В.

СТРОЕНИЕ АТОМА 1.В центре атома находится положительно заряженное ядро, имеющий min размеры. Положительный заряд атома сосредоточен в ядре. 2.Ядро составляет всю массу атома. 3.Ядра атомов состоят из ядерных элементарных частиц – нуклонов: (+)заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов 4.Электроны вращаются вокруг ядра по замкнутым стационарным орбитам. Масса электронов очень мала, заряд отрицательный и численно равен заряду протона. Скорость движения электрона в атоме – 2000 км/сек. 5.Свободные несвязанные атомы электронейтральны, т.к. число (+) и (-) зарядов в атомах одинаково. 6.Диаметры атомов – 2х10-10м; масса атомов – 10-24 – 10-22г. Нуклиды с одинаковым зарядом ядра, но разными массовыми числами и разным количеством нейтронов в ядре наз. Изотопами Важнейшие свойства любых частиц – это масса и энергия. Энергия связи ядра – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разъединить ядро на отдельные нуклоны.

Энергетическое состояние атомов Состояние электрона в атоме характеризуют 4 квантовыми числами. Главное квантовое число (n) - указывает среднее расстояние электрона от атомного ядра, характеризует размер электронного облака и запас энергии электрона. Побочное (орбитальное, азимутальное) квантовое число (l) отражает пространственную форму орбитали и принимает значения от 0 до (n-1), т.е. l=0,1,2,3. Орбитали одинаковой формы, содержащиеся на одном энергетическом уровне, образуют подуровни: s, p, d, f. Магнитное квантовое число (ml) связано с положением атомной орбитали в пространстве. Спиновое квантовое число (ms) характеризует веретенообразное вращение электрона вокруг собственной оси – спин. На каждой атомной орбитали может находиться не более двух электронов, при этом их спины должны быть противоположно направлены.

СОСТОЯНИЯ АТОМА Основное (нормальное) и возбужденное Основное состояние – энергия электронов min, при этом выполняются усл.: 1.Принцип ПАУЛИ- в атоме не может быть электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел. 2.Правило ХУНДА – электроны располагаются на одинаковых орбиталях так, чтобы их суммарный спин был наивысшим; максимальные значения спина наблюдаются, если все орбитали подуровня содержат по одному электрону с однонаправленными спинами: такое распределение позволяет электронам находиться наиболее далеко друг от друга. 3.Правило КЛЕЧКОВСКОГО – размещение электронов на энергетическом уровне соответствует наименьшим значениям суммы главного и побочного квантовых чисел n + l; при одинаковых значениях n + l электроны заполняют орбитали с минимальным значением главного квантового числа n.

Строение электронных оболочек Электроны, образующие внешний энергетический уровень атома, наименее прочно связаны с атомным ядром. КАТИОН – это + заряженный ион, образованный в результате потери атомом электрона. Пример: Са2+ - катион кальция АНИОН – это (-) заряженный ион, образованный в результате принятия атомом электрона. Пример: Сl- - анион хлора. ОКИСЛЕНИЕ – это отдача атомом электронов. ВОССТАНОВЛЕНИЕ – это присоединение электронов к атому. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ - это процесс перехода электронов от одного атома к другому. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – это заряд образовавшихся ионов. ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ – это энергия, которую нужно затратить, чтобы оторвать электрон от атома (Дж или электрон-вольт). 1эВ = 1,6х10-19 Дж). Больше характерно для атомов металлов. СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ – это реакция присоединения электронов, в которых выделяется энергия. Характерно для атомов неметаллов (Дж; Электрон-в). ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ – это полусумма энергии ионизации и сродства атома к электрону.

Мария Кюри-Складовская (1867-1934). Окончила университет в Париже. С Пьером Кюри изучала радиоактивность. Доктор физических наук. В 1910 г. Ею впервые был получен металлический радий Кюри-Складовская дважды награждена Нобелевской премией (по химии и физике). С 1926 г.была почетным членом Академии наук СССР.

Эрнест Резерфорд – (1871-1937) Крупнейший ученый в области радиоактивности и строения атома. Родился в Нельсоне Новая Зеландия. Профессор физики в Монреальском университете (Канада). 1907г. В Манчестере; с 1919 г. Кембридж, Лондон. С 1900 г. Резерфорд занимался изучением радиоактивности. Открыл три вида лучей. Предложил теорию радиоактивного распада. Доказал образования гелия при многих радиоактивных процессах. Открыл ядро атома и разработал ядерную модель атома. 1919г. Впервые осуществил искусственное превращение некоторых стабильных элементов, бомбардируя их альфа-частицами. 1908г. – Нобелевская премия. Почетный член Академии наук СССР.

Нильс Бор (1885-1962) Выдающийся датский физик. 1911-1912 гг. работал в лаборатории Резерфорда. С 1916 г. Профессор Копенгагенского университета. С 1920 глава Института теоретической физики Копенгагенского университета. Автор первоначальной квантовой теории строения атома. В 1913 г. Установил принцип соответствия между классическими и квантовыми представлениями. Теоретически объяснил периодический закон Д.И.Менделеева. В 1922 награжден Нобелевской премией. С 1929 г. – иностранный член Академии наук СССР.

Альберт Эйнштейн – (1879-1955) Родился в Ульме (Германия), с 14 лет жил в Швейцарии. С 1909 г. Профессор Цюрихского университета. С 1914-1933 профессор Берлинского университета. С 1933 г. – профессор Института фундаментальных исследований в Принстоне (США). К 1916 г. – общая теория относительности, заложившую основы современных представлений о пространстве, тяготении и времени. Осуществил основополагающие исследования в области квантовой теории света, теории броуновского движения, магнетизма. В 1921 г.награжден Нобелевской премией. С 1927 г. – почетный член Академии наук СССР.

РАДИОАКТИВНОСТЬ Явление испускания некоторыми элементами излучения, способное проникать через вещества, ионизировать воздух, вызывать почернение фотографических пластинок. После открытия изотопов – радиоактивность – это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или легких ядер. Период полураспада – это промежуток времени, в течение которого разлагается половина первоначального количества радиоактивного элемента. Виды естественного радиоактивного распада: - альфа – распад; бета-распад; электронный захват; спонтанное деление. При альфа-распаде ядра атомов испускают альфа-частицы. При бета-распаде из ядер выбрасываются электроны. Электронный захват – это поглощение ядром одного из вращающихся вокруг него электронов. Искусственная радиоактивность – это бомбардировка ядер некоторых элементов частицами с очень большой энергией (альфа-частицами, дейтронами, нейтронами, протонами, гамма-фотонами).

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Масса – мера инерционности – способность противодействовать внешним силам в изменении характера движения. Энергия – мера способности различных форм движения к изменениям, взаимопревращениям. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ – зависит от положения и состояния частиц и тел, сил притяжения и отталкивания между ними. КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ – проявляется в перемещении частиц и тел, их поступательном, колебательном, вращательном движении. Химические связи между атомами в молекулах – носители потенциальной энергии. Экзэргонические реакции – реакции, идущие с выделением энергии. Эндэргонические реакции – реакции, идущие с поглощением энергии.

Термодинамика химических процессов Термодинамика – изучает изменение энергетических состояний различных систем. Термодинамическая система – тело полностью отграничено от окружающей среды. Открытая система – если между системой и окружающей средой происходит обмен веществами и энергией. Закрытая система – если обмен веществами невозможен, а обмен энергией осуществляется. Изолированная система – при отсутствии обмена и веществами, и энергией. 1й закон термодинамики – энергия не исчезает и не возникает вновь, а только переходит из одного вида в другой в строго эквивалентных количествах. 2й закон термодинамики – самопроизвольно могут протекать только те процессы, в которых энтропия возрастает, а свободная энергия уменьшается.

Химическая термодинамика изучает систему в двух равновесных состояниях – начальном и конечном. Термодинамические процессы могут протекать в изотермических условиях – при const tC, в изобарических условиях – при const p, в изохорических условиях – без изменения объема системы, в адиабатических условиях (без обмена теплотой между системами и окружающей средой). Энтальпия (Н) – теплота, поглощенная при постоянном давлении – это мера общего количества теплоты в системе, а в частном случае химической реакции – как теплота образования химических веществ из элементов. Энтропия (S) – это мера неупорядочности состояния системы S=Q/T, где Q-количество теплоты, выделяемой системой в окружающую среду, Т-температура, при которой происходит передача теплоты. Полезная работа – Это механическая, электрическая, осмотическая работа, работа химических синтезов. Свободная энергия – Это энергия, способная преобразовываться в полезную работу.

Живые организмы – это сложные высокоупорядоченные системы с малой энтропией и низкой устойчивостью. В соответствии со 2-м законом термодинамики они должны стремиться к саморазрушению, но этого не происходит, т.к. живые организмы усваивают из окружающей среды низкоэнтропийные молекулы белков, жиров и сложных углеводов. Живой организм как открытая система никогда не достигает термодинамического равновесия, в котором энтропия максимальна, а свободная энергия минимальна. Он находится в стационарном состоянии, когда скорость притока веществ и энергии соответствует скорости их оттока из системы.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ