Пожалуй, единственное, что постоянно в нашем мире - это изменения. Все окружающее нас дает многочисленные примеры изменений, происходящих в нас самих и в нашем окружении. Понимание изменений тесно связано с пониманием природы и строения материи (вещества). Материя является физическим материалом Вселенной, это - нечто, занимающее часть пространства и имеющее массу. Химия как наука имеет дело прежде всего с веществом и с происходящими с ним изменениями.
Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения, одна из отраслей естествознания.
Происхождение слова "химия" спорно. Чаще всего его связывают с наименованием Древнего Египта - “Хем”, что означает “темный”, “черный” (очевидно, по цвету почвы в долине реки Нил); смысл же названия - “египетская наука”. Мы не будем останавливаться на истории становления и развития химической науки, об этом можно самостоятельно узнать из любого учебника. Поэтому отметим лишь следующее.
Современная химия составляет обширнейшую область человеческого знания и играет огромную роль. Объекты и методы исследования химии настолько разнообразны, что многие ее разделы являются по существу самостоятельными научными дисциплинами. Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и химия высокомолекулярных соединений. Важнейшие особенности современной химии:
1. Дифференциация главных разделов химии на самостоятельные научные дисциплины, основанная на различии объектов и методов исследования.
2. Интеграция химии с другими науками. В результате этого процесса возникли биохимия, биоорганическая химия и молекулярная биология, изучающие химические процессы в живых организмах.
3. Появление новых, главным образом физико-химических и физических методов исследования.
Неотъемлемая черта теоретической и экспериментальной химии - применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчетов, выявления кинетических закономерностей, расчета структуры и свойств сложных молекул.
Глубокие изменения физико-химических свойств веществ происходят в результате химических реакций.
Важнейшая особенность химических реакций связана с тем, что их протекание сопровождается изменениями энергии. Большая часть энергии, производимая в современном обществе, получается в результате химических реакций, главным образом при сгорании угля, нефтепродуктов и природного газа.
Резкий скачок в потреблении энергии произошел во времена промышленной революции, которая, в сущности, явилась энергетической революцией: ее первым достижением было изобретение паровой машины. Были созданы машины, потребляющие энергию угля затем нефти и природного газа. Открытие химических источников энергии позволило перейти от пешего перемещения и гужевого транспорта к автомобильному транспорту и ракетам.
Деятельность современного общества невозможна без надежных источников достаточно дешевой энергии. Где взять энергию, если мы уже исчерпали существенную часть имеющихся запасов ископаемых (угля, нефти, газа)? Кроме того, становится все очевиднее, что сжигание горючих ископаемых может привести к опасным изменениям климата Земли.
С тех пор как стало ясно, что существующих источников энергии хватит ненадолго, возник повышенный интерес к сохранению энергии, стали уделять большое внимание возможности более эффективного использования угля, запасы которого относительно велики, превращая его в более удобные виды горючего, например, в синтетический бензин, синтетический газ или жидкие горючие масла.
По-видимому, будет уделяться больше внимания и превращению растительного сырья в ценные сорта горючего, например, в спирты. Подобные меры должны сыграть важную роль в потреблении энергии в предстоящие десятилетия, пока не будет достигнуто долгосрочное решение проблем использования ядерной энергии, в частности проблемы управляемого термоядерного синтеза. Поэтому ключевую роль в эффективной эксплуатации источников энергии, от которых мы будем сильнее всего зависеть в обозримом будущем, должна сыграть химия.
С целью оптимального осуществления хода химического процесса необходимо знать общие законы, определяющие превращения энергии при химическом взаимодействии веществ. Для установления взаимных связей между явлениями и обобщения экспериментального материала в практике химии широкое распространение нашел термодинамический метод. Прежде чем перейти к изложению основ химической термодинамики, постараемся дать определение исходных понятий и объекта приложения термодинамического метода - термодинамической системы.
Под системой понимают тело или группу тел, мысленно выделенных из окружающей среды. Представим себе, что требуется определить теплоту сгорания жидкого бензола. Опыт осуществляют в калориметрической бомбе, которую можно рассматривать как систему.
В зависимости от рассматриваемого явления система может быть сложной и различного размера, но всегда она должна состоять из большого числа частиц, т.е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота, и некоторыми другими. Исходя из характера взаимодействия различных систем с окружающей средой, их подразделяют на открытые, закрытые и изолированные системы.
Открытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. К открытой системе, например, можно отнести стакан с водным раствором сахара. В результате постепенного испарения воды из раствора в окружающую среду и теплообмена, будет изменяться как масса системы, так и ее энергия.
Закрытой системой называют систему, в которой отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но возможен обмен энергией с ней. Примером такой системы может служить раствор сахара, помещенный в стакан, закрытый пробкой. Когда стакан закрыт пробкой, процесс в растворе будет осуществляться при постоянном объеме. Если температура раствора Т1 будет отличаться от температуры T2 окружающей среды, то при T1 больше T2 часть энергии от раствора будет передаваться в окружающую среду, и наоборот, при Т1 меньше T2 энергия системы будет увеличиваться за счет перехода какой-то части энергии из окружающей среды в раствор. Масса системы при этом изменяться не будет.
Изолированной системой называют такую, объем которой остается постоянным, и которая не обменивается энергией и веществом с окружающей средой. К этому типу систем можно будет отнести водный раствор сахара, помещенный в закрытый сосуд, стенки которого изготовлены из идеального теплоизоляционного материала. Понятие "изолированная система" является понятием идеальным (абстрактным), так как на практике не существует материала, который абсолютно не проводил бы теплоту.
Система может быть гомогенной (однородной) или гетерогенной (неоднородной).
Система называется гомогенной, если она состоит из одной фазы. Гетерогенная система обязательно содержит несколько фаз.
Совокупность всех химических и физических свойств системы называется состоянием системы. Обычно рассматривают те свойства. которые могут быть однозначно выражены через функции температуры. давления и концентрации веществ системы. Такие свойства называются термодинамическими (теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия и т. п. ), они являются частью общих свойств (физических и химических) системы. Для полного описания состояния системы достаточно знать наименьшее число термодинамических свойств, которые наиболее легко определяются экспериментальным путем (давление Р, объем V, температура Т и концентрации (C1) компонентов). Параметры состояния системы связаны между собой соотношением, которое называется уравнением состояния. Если система состоит из одного вещества и в качестве параметров выбраны давление, объем и температура, то уравнение состояния в общем виде можно записать так:
f(P, V, T)=0
Для n моделей идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона:
PV=nRT
Применяя основные понятия, рассмотрим энергетику химических процессов.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему