Напишем:


✔ Реферат от 200 руб.
✔ Контрольную от 200 руб.
✔ Курсовую от 500 руб.
✔ Решим задачу от 20 руб.
✔ Дипломную работу от 3000 руб.
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

 

 

Энергия Гиббса, энергия Гельмгольца и направленность химических реакций

Энергия Гиббса химических реакций. Как и ранее рассмотренные термодинамические функции, энергия Гиббса является функцией состояния. При переходе системы из одного состояния в другое изменение ее величины не зависит от пути протекания процесса, а лишь от природы исходных и конечных веществ и их состояний. Поэтому энергию Гиббса химической реакции DrG° можно рассчитать через стандартные энергии Гиббса образования веществ, используя следствие из закона Гесса. Энергия Гиббса реакции равна сумме энергий Гиббса образования продуктов за вычетом энергий Гиббса образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

В результате протекания химической реакции (2.13) энергия Гиббса рассчитывается по формуле

DrG° = lDfG°L  + mDfG°M - dDfG°D  - bDfG°B    (2.16)

Например, энергия Гиббса получения водорода методом взаимодействия метана и водяного пара

СН4 + 2Н2О (г) = СО2 + 4Н2 рассчитывается по уравнению:

DrG° =DfG°CO2  -DfG°CH4  -DfG°H2O(a)

Полученное значение DrG° является критерием самопроизвольного протекания реакции (DrG° < 0). Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартных состояниях, то энергия Гиббса называется стандартной энергией Гиббса химической реакции DrG° и является критерием самопроизвольного протекания реакции при стандартных условиях.

Энтальпийный и энтропийный факторы, характеризующие две противоположные тенденции процессов, - стремление к объединению, порядку и стремление к разъединению, беспорядку, взятые по отдельности, - не могут быть критериями самопроизвольного течения химических реакций. Для изобарно-изо-термических процессов разность между этими значения и дает ту энергию, которая идет на совершение полезной работы при переходе системы из одного состояния в другое, называемую энергией Гиббса процесса (DrG°) и равную

DrG° =DrH°  -TDrS°                                                                               (2.17)

Энергия Гиббса служит критерием самопроизвольного протекания химической реакции в изобарно-изотермических процессах:

- если энергия Гиббса уменьшается, т. е DrG° < 0, то реакция принципиально возможна;

- если энергия Гиббса систем возрастает, т. е. DrG° > 0, то реакция не может протекать самопроизвольно;

-  если DrG° = 0, то реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, т. е. обратима, в системе устанавливается равновесие.

Направление химических реакций зависит oi их характера. Для экзотермических реакций (DrH° < 0) условие (2.17) соблюдается при любой температуре, если в ходе нее возрастает количество газообразных веществ и энтропия возрастает (DrS0 > 0). В данных реакциях обе движущие силы (DrH°) и (TDrS0) направлены в сторону протекания прямого процесса и DrG° < 0 при любых температурах. Такие реакции могут самопроизвольно идти только в прямом направлении, т. е. являются необратимыми.

Пример 5- Определите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции СаО (т) + СО2 (г) = CaCO3 (т) при стандартных условиях.

Решение. Воспользуемся уравнением (2.14):

DrH°=DfH°CaCO3-DfH°CaO-DfH°CO2 =-178,8кДж.

Воспользуемся уравнением (2.15):

DrS0 = S0CaCO3 - S0CaO - S°C02 = -160,6 Дж/К.

Воспользуемся уравнением (2.17):

DrG°298 = DrH°298 - 298DrS0298 = -130,24 кДж.

Ответ: для стандартного состояния (р = 100 кПа и Т = 298 К) данная реакция возможна. При высоких температурах, когда |DrH°|<| TDrS0|, энергия Гиббса реакции станет положительной и реакция становится невозможной в прямом направлении.

Температура, при которой DrG° = 0, является температурой установления равновесия в системе или температурой начала реакции. Она позволяет судить о начале развития реакции в нужном направлении:

                                                                                (2.18)

Термодинамические функции состояния зависят от температуры, следовательно, направление протекания химической реакции также зависит от температуры. Влияние температуры на направление химических реакций приведено в табл. 2.1.

Энергия Гиббса зависит от характера реакции (значений DrH° и DrS0), а для многих реакций и от температуры. Зная величины DrS0 и DrH°, можно рассчитать DrG° и соответственно предсказать возможность или невозможность самопроизвольного протекания реакции, а также влияние температуры на направление процесса, и определить температуру начала реакции.

Таблица 2.1

DrH0

DrS0

DrG0

Направление реакции

Примеры реакций

DrH0<0

DrS0>0

DrG0<0

Прямая реакция может быть самопроизвольной при любых температурах

С(графит)+1/2О2=СО

DrH0>0

DrS0<0

DrG0>0

Прямая реакция не может быть самопроизвольной при любых температурах

СО=С(графит)+1/2О2

DrH0<0

DrS0<0

DrG0<0

при T<Tp DrG0>0

при T>Tp

Самопроизвольно может протекать прямая реакция при низких температурах и обратная реакция – при высоких температурах

СаО+СО2=СаСО3

DrH0>0

DrS0>0

DrG0>0

при T<Tp

DrG0<0

при T>Tp

Самопроизвольно может протекать прямая реакция при высоких температурах и обратная реакция – низких при температурах

СН4+2Н2О(г)=СО2+4Н2

 

Энергия Гельмгольца химических реакций. Максимальная работа Wvmax, которую может совершить система при равновесном проведении процесса в изохорно-изотермических условиях, равна изменению энергии Гельмгольца системы (энергии Гельмгольца реакции) DF:

Wvmax=-DFT.                                                                       (2.19)

Энергия Гельмгольца реакции DF равна:

DF = DU+TDrS0.                                                               (2.20)

Энергия Гельмгольца характеризует направление и предел самопроизвольного течения химической реакции в изохорно-изотермических условиях, которое возможно при соблюдении неравенства DF <0.

Предыдущие материалы: Следующие материалы: