Возможность самопроизвольного прохождения

химических реакций. Энергия Гиббса

Вопрос о возможности самопроизвольного прохождения реакций относится к числу наиболее важных в химии. Опыт показывает, что при низких температурах самопроизвольно проходят преимущественно экзотермические реакции, но наблюдаются и самопроизвольные эндотермические процессы, например растворение большинства солей в воде. При повышенных температурах чаще реализуются эндотермические процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии системы.

Таким образом, наблюдаются две противоположные тенденции:

1) стремление системы перейти в состояние с наименьшей внутренней энергией (с выделением её части), характеризуется изменением энтальпии системы;

2) стремление к беспорядку, характеризуется изменением энтропии системы.

Сопоставление этих двух противоположных тенденций дает возможность определить направление самопроизвольного прохождения процесса при заданных условиях. Величины и в термодинамике связаны соотношением

при ,

в котором D - энергия Гиббса, термодинамическая функция, имеющая математическое определение: . Размерность энергии Гиббса - кДж/моль.

В системах, находящихся при постоянной температуре и давлении, самопроизвольно могут протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса. Изменение энергии Гиббса, таким образом, характеризует направление самопроизвольного протекания процессов, в том числе химических реакций.

· Если DG < 0, самопроизвольно может идти прямая реакция;

если DG = 0, система находится в состоянии химического равновесия.

· Пример. Оцените возможность прохождения в стандартных условиях реакции С_{(ГРАФИТ)} + 1/2О_2(Г) Û СО_(Г), DН⁰ = 86 кДж/моль; DS⁰ = 88 Дж/(моль · К).

Решение. Рассчитываем стандартную энергию Гиббса химической реакции

= = 59 кДж/моль.

, следовательно, в стандартных условиях реакция самопроизвольно проходить не может.

Оценим влияние температуры на возможность прохождения данной реакции. Если пренебречь зависимостями величин и от температуры и считать их постоянными, можно рассчитать энергию Гиббса химической реакции при нестандартной температуре T:

.

Уравнению соответствует прямая в координатах .

Сравним с уравнением прямой в координатах :

, , , .

Найдём точку пересечения прямой с осью абсцисс, т.е. температуру, при которой :

; .

Построим график, из которого видно, что в интервале температур 0 – 980 К , следовательно, прямая реакция самопроизвольно идти не может, выше 980 К энергия Гиббса < 0, т.е. самопроизвольно может идти прямая реакция.

DG, кДж/моль

86

-90 980 T, K

4. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ