Рассчитайте энергию гиббса реакции двумя способами

Энтропия. Энергия Гиббса

Понятие энтропии

Абсолютная энтропия веществ и изменение энтропии в процессах

Стандартная энтропия

Стандартная энтропия образования

Энергия Гиббса

Стандартная энергия Гиббса образования

Энтальпийный, энтропийный фактор и направление процесса

Примеры решения задач

Задачи для самостоятельного решения

Понятие энтропии

Энтропия S – функция состояния системы. Энтропия характеризует меру неупорядоченности (хаотичности) состояния системы. Единицами измерения энтропии являются Дж/(моль·К).

Абсолютная энтропия веществ и изменение энтропии в процессах

При абсолютном нуле температур (Т = 0 К) энтропия идеального кристалла любого чистого простого вещества или соединения равна нулю. Равенство нулю S при 0 К позволяет вычислить абсолютные величины энтропий веществ на основе экспериментальных данных о температурной зависимости теплоемкости.

Изменение энтропии в процессе выражается уравнением:

где S_(прод.) и S_(исх.) – соответственно абсолютные энтропии продуктов реакции и исходных веществ.

На качественном уровне знак S реакции можно оценить по изменению объема системы ΔV в результате процесса. Знак ΔV определяется по изменению количества вещества газообразных реагентов Δn_г. Так, для реакции

(Δn_г = 1) ΔV > 0, значит, ΔS > 0.

Стандартная энтропия

Величины энтропии принято относить к стандартному состоянию. Чаще всего значения S рассматриваются при Р = 101,325 кПа (1 атм) и температуре Т = 298,15 К (25 о С). Энтропия в этом случае обозначается S о ₂₉₈ и называется стандартной энтропией при Т = 298,15 К. Следует подчеркнуть, что энтропия вещества S (S о ) увеличивается при повышении температуры.

Стандартная энтропия образования

Стандартная энтропия образования ΔS о _f,298 (или ΔS о _обр,298) – это изменение энтропии в процессе образования данного вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии.

Энергия Гиббса

Энергия Гиббса G – функция состояния системы. Энергия Гиббса равна:

Абсолютное значение энергии Гиббса определить невозможно, однако можно вычислить изменение δG в результате протекания процесса.

Критерий самопроизвольного протекания процесса: в системах, находящихся при Р, Т = const, самопроизвольно могут протекать только процессы, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса (ΔG

Стандартная энергия Гиббса образования

Стандартная энергия Гиббса образования δG о _f,298 (или δG о _обр,298) – это изменение энергии Гиббса в процессе образования данного вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии, причем простые вещества пристутствуют в наиболее термодинамически устойчивых состояниях при данной температуре.

Для простых веществ, находящихся в термодинамически наиболее устойчивой форме, δG о _f,298 = 0.

Энтальпийный, энтропийный фактор и направление процесса

Проанализируем уравнение ΔG о _Т = ΔН о _Т — ΔТS о _Т. При низких температурах ТΔS о _Т мало. Поэтому знак ΔG о _Т определяется в основном значением ΔН о _Т (энтальпийный фактор). При высоких температурах ТΔS о _Т – большая величина, знак Δ G о _Т определяется и энтропийным фактором. В зависимости от соотношения энтальпийного (ΔН о _Т) и энтропийного (ТΔS о _Т) факторов существует четыре варианта процессов.

• • 1. Если ΔН о _Т о _Т > 0, то ΔG о _Т
    2. Если ΔН о _Т > 0, ΔS о _Т о _Т > 0 всегда (процесс не протекает ни при какой температуре).
    3. Если ΔН о _Т о _Т о _Т о /ΔS о (процесс идет при низкой температуре за счет энтальпийного фактора).
    4. Если ΔН о _Т > 0, ΔS о _Т > 0, то ΔG о _Т ΔН о / ΔS о (процесс идет при высокой температуре за счет энтропийного фактора).

Примеры решения задач

Задача 1. Используя термодинамические справочные данные, вычислить при 298,15 К изменение энтропии в реакции:

Объяснить знак и величину ΔS о .

Решение. Значения стандартных энтропий исходных веществ и продуктов реакции приведены ниже:

Вещество	NH3(г)	O2(г)	NО(г)	H2O(ж)
S о 298, Дж/(моль·К)	192,66	205,04	210,64	69,95

В данной реакции ΔV o _х.р.,298

Задача 2. Используя справочные термодинамические данные, рассчитать стандартную энтропию образования NH₄NO_3(к). Отличается ли стандартная энтропия образования NH₄NO_3(к) от стандартной энтропии этого соединения?

Решение. Стандартной энтропии образования NH₄NO₃ отвечает изменение энтропии в процессе:

Значения стандартных энтропий исходных веществ и продуктов реакции приведены ниже:

Вещество	N2(г)	H2(г)	O2(г)	NH4NO3(к)
S о 298, Дж/(моль·К)	191,50	130,52	205,04	151,04

Стандартная энтропия образования NH₄NO₃(к), равная — 609,06 Дж/(моль·К), отличается от стандартной энтропии нитрата аммония S о ₂₉₈(NH₄NO_3(к)) = +151,04 Дж/(моль·К) и по величине, и по знаку. Следует помнить, что стандартные энтропии веществ S о ₂₉₈ всегда больше нуля, в то время как величины ΔS 0 _f,298, как правило, знакопеременны.

Задача 3. Изменение энергии Гиббса реакции:

равно δG о ₂₉₈= –474,46 кДж. Не проводя термодинамические расчеты, определить, за счет какого фактора (энтальпийного или энтропийного) протекает эта реакция при 298 К и как будет влиять повышение температуры на протекание этой реакции.

Решение. Поскольку протекание рассматриваемой реакции сопровождается существенным уменьшением объема (из 67,2 л (н.у.) исходных веществ образуется 36 мл жидкой воды), изменение энтропии реакции ΔS о о ₂₉₈ реакции меньше нуля, то она может протекать при температуре 298 К только за счет энтальпийного фактора. Повышение температуры уменьшает равновесный выход воды, поскольку ТΔS о

Задача 4. Используя справочные термодинамические данные, определить может ли при 298,15 К самопроизвольно протекать реакция:

Если реакция не будет самопроизвольно протекать при 298,15 К, оценить возможность ее протекания при более высоких температурах.

Решение. Значения стандартных энергий Гиббса и энтропий исходных веществ и продуктов реакции приведены ниже:

Вещество	С4Н10(г)	С2Н4(г)	Н2(г)
ΔG о f,298× , кДж/моль	— 17,19	68,14	0
S о 298, Дж/(моль·К)	310,12	219,45	130,52

ΔG о _х.р.,298 > 0, следовательно, при Т = 298,15 К реакция самопроизвольно протекать не будет.

Поскольку ΔS о _х.р.,298 > 0, то при температуре Т>ΔН о /ΔS о величина ΔG о _х.р.,298 станет величиной отрицательной и процесс сможет протекать самопроизвольно.

Задача 5. Пользуясь справочными данными по ΔG о _f,298 и S о ₂₉₈, определите ΔH о ₂₉₈ реакции:

Решение. Значения стандартных энергий Гиббса и энтропий исходных веществ и продуктов реакции приведены ниже:

Вещество	N2O(г)	H2(г)	N2H4(г)	H2O(ж)
ΔG о f,298, кДж/моль	104,12	0	159,10	-237,23
S о 298, Дж/(моль·К)	219,83	130,52	238,50	69,95

ΔG о ₂₉₈ = ΔН о ₂₉₈ – ТΔS о ₂₉₈. Подставляя в это уравнение величины ΔН о ₂₉₈ и ТΔS о ₂₉₈, получаем:

ΔН о ₂₉₈ = –182,25× 10 3 + 298·(–302,94) = –272526,12 Дж = – 272,53 кДж.

Следует подчеркнуть, что поскольку ΔS о ₂₉₈ выражена в Дж/(моль× К), то при проведении расчетов ΔG 0 ₂₉₈ необходимо также выразить в Дж или величину ΔS 0 ₂₉₈ представить в кДж/(мольK).

Задачи для самостоятельного решения

1. Используя справочные данные, определите стандартную энтропию образования ΔS о _f,298 NaHCO_3(к).

2. Выберите процесс, изменение энергии Гиббса которого соответствует стандартной энергии Гиббса образования NO_2(г):

Источник

Энергию Гиббса химической реакции можно рассчитать двумя способами

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Система – совокупность тел, мысленно или фактически обособляемых из окружающей среды

Состояние системы характеризуется набором термодинамических параметров состояния: Т, р ,V, С …

Процесс перехода из одного состояния в другое (Т = const– изотермический, p = const— изобарический, V = const— изохорический )

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ:

U-внутренняя энергия, H – энтальпия , S — энтропия, G – свободная энергия Гиббса,

F – энергия Гельмгольца

Функции состояния системы (характеристические ф-ции) свойства системы, значения которых однозначно определяются параметрами состояния. Изменение функций состояния не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое, а определяется лишь разностью значений функции в конечном и начальном состоянии. Величина функции зависит от количества или массы вещества.

U-внутренняя энергия— включает в себя все виды энергии системы (движения и взаимодействия молекул, атомов, ядер, электронов и др. частиц), кроме потенциальной и кинетической энергии движения всей системы как целого объекта. Абсолютное значение U определить невозможно, можно определить изменение ΔU= U₂ – U₁ с помощью работы (W) и теплоты (Q).

Работа (W) – количественная мера направленного движения частиц

Теплота (Q) – количественная мера хаотического движения частиц

Н=U+p·V — энтальпия, функция состояния системы, абсолютное значение определить невозможно, можно определить ΔH

Термохимия– часть термодинамики, изучающая тепловые эффекты процессов

Термохимические уравнения (указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект

реакции, допустимы дробные стехиометрические коэффициенты)

Эндотермическая реакция-реакция с поглощением теплоты,Δ_rH > 0 .

Экзотермическая реакция-реакция с выделением теплоты,Δ_rH 5 Па

∆_fH º _i – стандартная энтальпия (теплота) образования

i –го вещества равна тепловому эффекту образования одного моля этого вещества из соответствующих простых веществ, если все участники реакции находятся в стандартных состояниях При этом энтальпии образования простых веществ, устойчивых в данных условиях, принимают равными нулю.

Тогда стандартная энтальпия реакции равна:

Стандартные энтальпии образования табулированы, как правило, при 298 К (Δ_f Hº₂₉₈)

Зависимость энтальпии реакции (в данном случае стандартной) от температуры в области 298 ÷Т, в которой нет фазовых переходов, в интегральномвиде выражается уравнением Кирхгофа:

Δ_r Hº_T= Δ_r Hº₂₉₈+ _rcº_pdT

Где ∆_rcº_p – изменение стандартной теплоемкости системы в ходе реакции, равное разности суммарной стандартной теплоемкости продуктов реакции и суммарной стандартной теплоемкости исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов

Энтропия S –функция состояния системы мера неупорядоченности состояния системы

S=R·lnW (W-термодинамическая вероятность системы, число возможных микросостояний, которыми можно реализовать данное макросотояние) [дж/моль·К]. Можно определить абсолютное значение (3-ий закон термодинамики- энтропия идеального кристалла при Т= 0 К равна 0). Энтропия увеличивается с ↑Т ; S_г>S_ж>S_т

Стандартную энтропию реакции при 298К, ∆_rSº₂₉₈ рассчитывают по формуле

Зависимость энтропии реакции от температуры в области 298 ÷Т, в которой нет фазовых переходов, в интегральном виде выражается уравнением:

∆_rSº_Т = ∆_rSº₂₉₈+ (∆_r cº_p /Т)dT Если ∆_rcº_p=0 , то ∆_r Sº_T= ∆_r Sº₂₉₈

Функциями состояния системы: энергия Гиббса: G=Н-T·S, и энергия Гельмгольца: F=U-T∙S

Критерий возможности самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении в изобарно-изотермических условиях:∆_rG_Т=∆_rН_Т — Т∙∆_rS_Т º

Энергию Гиббса химической реакции можно рассчитать двумя способами

Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартных состояниях, то по этим формулам рассчитывают стандартную энергию Гиббса реакции ∆_rGº_T. Связь между ∆_rG_T (при нестандартных состояниях веществ) и∆_rGº_T (при стандартных)

выражается уравнением изотермы Вант-Гоффа

где p_i – относительное парциальное давлениесоответствующих газообразных компонентов реакции

Источник

Читайте также:  Все способы лечения зубной боли