Расчеты изменений энергии Гиббса в химических реакциях
Объединение первого и второго законов термодинамики. Характеристические функции, понятие и примеры. Энергия Гиббса- Гельмгольца. Химический потенциал и условия химического равновесия. Расчеты изменений энергии Гиббса в химических реакциях.
Объединенное уравнение первого и второго законов.
Для того, чтобы ответить на вопрос о том, почему возможны
самопроизвольные эндотермические процессы, нужно осознать, что в
природе одновременно действуют две тенденции - стремление к минимуму
энергии, и стремление к максимуму хаоса, т.е. одновременно действуют
первый и второй законы термодинамики. И чтобы описать результат их
совместного действия, нужны критерии, учитывающие сразу обе тенденции.
Иными словами, нужно объединить первое и второе начала термодинамики.
Такое объединение привело к открытию двух новых
термодинамических функций состояния.
Энергия Гиббса. Энергия Гельмгольца.
Этими фундаментальными функциями являются энергия Гиббса (1) и
энергия Гельмгольца. (2)
Они выражаются через известные нам термодинамические функции
энтальпии, энтропии и температуру следующим образом:
G = Н – TS – энергия Гиббса
F = U –TS – энергия Гельмгольца
Изменение энергии Гиббса r T D G в ходе изобарно-изотермических
(P,T – const) процессов и изменение энергии Гельмгольца r T D F в ходе
изохорно-изотермических процессов (V,T – const) являются выражениями
для максимальной работы Wmax в этих процессах:
=
В эти уравнения входят и члены, относящиеся к первому закону
термодинамики (работа в форме и ), и описываемая вторым
законом функция энтропия ( ).
Вот почему эти уравнения называются объединенными уравнениями
первого и второго законов термодинамики.
Химический потенциал
При протекании химической реакции через некоторое время устанавливается химическое равновесие. Существует два признака химического равновесия: кинетический, термодинамический. В кинетическом – υпр = υобр, в термодинамическом – характеризует химическую реакцию при условиях P, t – const (ΔG = 0); при условиях V, Т – const
(ΔF = 0).
Химический потенциал – функция, которая характеризует состояние i-го компонента при определенных внешних условиях.
где n1 – число молей i-го компонента
Химическое равновесие— состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.[1]
А2 + В2 ⇄ 2AB
В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.
Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1885 году французским ученым Ле-Шателье.
Факторы влияющие на химическое равновесие:
1) температура
При увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической (поглощение) реакции, а при понижении в сторону экзотермической (выделение) реакции.
CaCO3=CaO+CO2 -Q t↑ →, t↓ ←
N2+3H2↔2NH3 +Q t↑ ←, t↓ →
2) давление
При увеличении давления химическое равновесие смещается в сторону меньшего объёма веществ, а при понижении в сторону большего объёма. Этот принцип действует только на газы, т.е. если в реакции участвуют твердые вещества, то они в расчет не берутся.
CaCO3=CaO+CO2 P↑ ←, P↓ →
1моль=1моль+1моль
3) концентрация исходных веществ и продуктов реакции
При увеличении концентрации одного из исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов реакции-в сторону исходных веществ.
S2+2O2=2SO2 [S],[O]↑ →, [SO2]↑ ←
Катализаторы не влияют на смещение химического равновесия!
Расчеты изменений энергии Гиббса в химических реакциях
Энтропийный метод расчёта ΔG реакции является одним из самых распространённых и удобных[2]. Он основан на соотношении:
или, соответственно, для стандартного изменения энергии Гиббса:
Здесь при постоянных давлении и температуре равно тепловому эффекту реакции, методы расчёта и экспериментального определения которого известны — см., например, уравнение Кирхгофа
Необходимо получить изменение энтропии в ходе реакции. Эта задача может быть решена несколькими способами, например:
По термическим данным — с опорой на тепловую теорему Нернста и с использованием сведений о температурной зависимости теплоёмкости участников реакции. Например, для веществ, при нормальных условиях находящихся в твёрдом состоянии:
где = 0 (постулат Планка) и тогда, соответственно,
(здесь индекс sol — от англ. solid). При некоторой заданной температуре T:
Для жидких или газообразных при нормальной температуре веществ, или, в более общем случае, для веществ, в интервале температур от 0 (или 298) и до T претерпевающих фазовый переход, следует учитывать изменение энтропии, связанное с этим фазовым переходом.
Для идеальных газов — методами квантовой статистики.
Различными эмпирическими и полуэмпирическими методами, для этого часто достаточно небольшого объёма исходных данных. Например, для твёрдых неорганических веществ оценить энтропию можно по формуле[3]:
где A и B — табличные константы, зависящие от типа рассматриваемого соединения, M — молекулярная масса.
Итак, если извеcтны , и температурные зависимости теплоёмкости
может быть рассчитано по формуле:
Несколько упрощённый вариант этой формулы получают, считая сумму теплоёмкостей веществ не зависящей от температуры и равной сумме теплоёмкостей при 298 K:
И еще более упрощённый расчёт проводят, приравнивая сумму теплоёмкостей к нулю:
Переход от к константе равновесия осуществляется по приведённой выше формуле.