Энергия Гиббса и ее изменение при химических процессах

Рассмотрим  экзотермическую реакцию:

СО + 2Н2=> СН3ОН — 93,5 кДж

Действие энтальпийного фактора обусловливает ее протекание в прямом направлении.

∆H <0 (процесс экзотермический)

 Однако наибольшее значение энтропии достигается при полном разложении метанола на водород и оксид углерода, так как при этом число молекул газов возрастает втрое.

Вычислим изменение энтропии системы  при прямой  реакции.

Изменение энтропии в ходе химической реакции ( ΔS) равно сумме энтропий продуктов за вычетом суммы энтропии исходных веществ.

 

Таблица 3. Стандартные энтропии веществ-участников реакции

Вещество

Стандартная энтропия,

S0 Дж/моль·K

CO (газ)

197,5

H2(газ)

130,5

CH3OH (газ)

240,1

 

 ΔS° = 240,1 Дж/моль·K· 1 моль —(197,5 Дж/моль·K· 1 моль + 130,5 Дж/моль·K· 2 моль) = -218,4 Дж/К.

Отсюда, при синтезе метанола энтропия уменьшается.

Таким образом энтальпийный и энропийный факторы действуют в противоположных направлениях.

Для того чтобы учесть действие обоих факторов в термодинамике используется функция состояния системы — энергия Гиббса (G). Она применяется для изобарно-изотермических условий и связана с энтальпией и энтропией простым соотношением:

G = H — TS.

Изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции:

 ∆G = ∆H — T∆S

Характер этого изменения позволяет судить о принципиальной возможности или невозможности осуществления процесса.

При постоянных давлении и температуре самопроизвольно протекают только такие химические реакции, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса.

Иными словами, ∆G < 0 (т.е. энергия Гиббса системы в исходном состоянии больше, чем в конечном) свидетельствует о возможности самопроизвольного осуществления реакции. Если же ∆G > 0, то процесс не может идти в данных условиях.

Используя известные значения стандартных энтальпий образования и стандартных энтропии веществ, можно прогнозировать возможность протекания химической реакции при той или иной температуре.

Под стандартной энергией Гиббса образования понимают изменение энергии Гиббса при реакции образования 1 моль данного соединения из простых веществ. Подобно энтальпии и энтропии:

Читайте также:  Механизм химической реакции

стандартное изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции равно сумме стандартных энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энергий Гиббса образования исходных веществ.                    

Пользуясь табличными данными можно  рассчитать изменение энергии Гиббса в стандартных условиях.

Рассмотрим обратимую реакцию:

N2 (г) +ЗН2 (г) ↔ 2NH3(г) .

Для стандартных условий ∆H° = — 92,4кДж   ∆S°= -0,1978 кДж/К

Изменение энергии Гиббса:

G0 = ∆H0 — T∆S0 = -92,4 — (0,198 ∙ 298) = 92,4 + 59,0 = -33,4 кДж.

Итак, при стандартных условиях реакция протекает в прямом направлении, хотя она сопровождается уменьшением энтропии (превалирует энтальпийный фактор). Обратная реакция — разложение аммиака на водород и азот — в этих условиях термодинамически (принципиально) невозможна.

Однако по мере повышения температуры все более существенным становится влияние энтропийного фактора.

G500 = 6,6 кДж,

G800 = 66,0 кДж.

В случае обратной реакции ∆G имеют, естественно, противоположные знаки. Уже при 500К становится принципиально возможным разложение аммиака. При 800К  эта возможность возрастает.

Когда действия энтальпийного и энтропийного факторов уравновешивают друг друга, т.е. ∆G=0, наступает состояние химического равновесия. В этом случае скорость прямой реакции равна скорости обратной.

Константа химического равновесия связана с изменением энергии Гиббса уравнением:   ΔGреак.  = -RT In К

 Изменение энергии Гиббса определяет лишь  возможность протекания химических реакций. В конкретных условиях скорость протекания реакции может быть бесконечно мала. Это обусловлено барьером энергии активации, при нагревании или освещении солнечным светом реакция немедленно произойдет.

 

Ваша оценка?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё о химии
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: