Энергия не творится из ничего и не исчезает бесследно, а только превращается из одной формы в другую.

Справедливости ради следует сказать, что впервые закон сохранения энергии сформулировал в 1748 году М.В. Ломоносов.

Поскольку цель данного курса – рассмотрение химической картины мира, мы будем рассматривать один из разделов термодинамики – химическую термодинамику. Химическая термодинамика изучает условия устойчивости химических систем и законы, по которым системы переходят из одного состояния в другое.

Преимущество химической термодинамики заключается в том, что она даёт возможность изучать процессы без знания их истинного механизма. Последнее имеет большое значение для изучения биохимических и биологических процессов, особенно тех, механизм которых не расшифрован.

Для начала вспомним типы химических реакций из школьного курса химии.

Химическая реакция, которая может произойти сама по себе за то или иное время, называетсясамопроизвольной. На открытом воздухе, а также в условиях, существующих в двигателе автомобиля, сгорание бензина представляет собой самопроизвольную реакцию

С₇Н₁₆ + 11О₂-----> 7СО₂ + 8Н₂О +Q

Эта реакция экзотермическая, т.е. протекает с выделением тепла. Выделяемое тепло заставляет образующиеся газы расширять­ся, и давление этих расширяющихся газов приводит автомобиль в движе­ние.

Эта реакция относится к необратимым, идущим до конца. Напомним, что явными признаками необратимых реакций являются образование твердых, газообразных и мало диссоциированных продуктов.

В отличие от вышеприведенной реакции горения гептана обратная реакция при тех же условиях не является ни самопроизвольной, ни возможной вообще.

СО₂ + 8Н₂О ---/--» С₇Н₁₆ + 11О₂

Действительно, никто всерьез не станет предлагать процесс получения бензина путем самопроизвольного соединения паров воды с диоксидом углерода.

Взрывы служат примерами быстрых, самопроизвольных реакций, од­нако не только такие быстрые реакции, как взрывы, протекают самопроиз­вольно. Очень важно ясно понимать отличие между скоростью реакции и самопроизвольностью ее протекания. Если смешать газообразные кисло­род и водород при комнатной температуре, они годами могут оставаться в смешанном состоянии без видимого протекания реакции. Тем не менее, реакция образования воды

2Н₂ + О₂ ---à 2Н₂О

является подлинно самопроизвольной реакцией. Убедиться в этом можно, если инициировать данную реакцию спичкой или катализатором из сильно измельченной металлической платины.

В отличие от необратимых реакций реакции, протекающие в гомогенной (однородной) среде, например, в газовой или в жидкой, или в растворе, часто начинаются самопроизвольно, но до конца не идут. Такие реакции называются обратимыми.

Пример –реакция получения аммиака:

N₂(г) + 3H₂ (г) = 2 NH₃ (г)

Этот пример показывает, почему химикам интересно знать, самопроизвольна ли каждая реакция, т.е. иметь представление об ее естественной тенденции к осуществлению. Если изучаемая химическая реакция является самопроизвольной, но медленной, можно попытаться ускорить ее протекание. Чаще всего для этого достаточно повысить температуру или подобрать катализатор.

Энергия активации. Суть протекания химической реакции может проиллюстрировать следующая диаграмма. Исходнвя система (смесь реагентов) обладает некоторой энергией Е_исх . Для того, чтобы реакция началась, требуется энергия, необходимая для разрыва старых и возникновения новых химических связей, в результате чего разрушаются прежние молекулы, и возникают новые (Е_{реакции}). Если Е_исх = Е_{реакции}, что характеризует ионные реакции, тот реакция начинается в момент слияния исходных веществ. Если же Е_исх < Е_{реакции} , то для начала реакции требуется подвод дополнительной энергии Е_{активации}, например, нагревание смеси реагентов. Однако, возможен и другой путь сближения энергий исходной и реакции – понижение уровня Е_{реакции} путем введения катализаторов.

При изучении химии возникает много вопросов. Почему одни реакции осуществляются настолько полно, что после их протекания практически не остается реагентов, тогда как дру­гие приостанавливаются при образовании смеси реагентов и продуктов? Можно ли предсказать заранее, каким из этих двух способов будет вести себя интересующая нас реакция? Как влияет на самопроизвольное проте­кание реакции количество имеющихся реагентов или продуктов? На эти вопросы дает ответ термодинамика. Однако не следует забывать, что термодина­мика лишь предсказывает, может ли реакция произойти (точнее, не запре­щена ли она законами термодинамики). Заставить ее произойти, и притом за не слишком большое время, это уже задача химика-исследователя.