Химиялық термодинамика

Химиялық термодинамиканың негізгі көрсетіштеріне энтальпия, энтропия және Гиббстің бос энергиясы жатады. Осы көрсеткіштер химиялық реакцияның жылу бөліп немесе сіңіріп жүретінін, реакцияның өздігінен қарастырып отырған бағытта жүретінін немесе жүрмейтінін және қандай температурада жүретінін анықтауға мүмкіндік береді.

Жылу эффектісі көрсетілген реакцияларды термохимиялық реакция дейді. Химиялық реакцияның жылу эффектісі: Δ H белгіленеді, өлшемі кДж/моль экзотермиялық реакцияда Δ H < O, эндотермиялық реакцияда Δ H > O.

Химиялық реакцияның жылу эффектісін Гесс заңынан шығатын салдар бойынша есептеуге болады: «Химиялық реакцияның жылу эффектісі реакция нәтижесінде түзілген заттардың түзілу жылуының қосындысынан реакцияға түскен заттардың түзілу жылуларының қосындысын алғанға тең»:

Заттың түзілу жылуы дегеніміз 1 моль күрделі заттың жай заттардан түзілу энтальпиясы. Жайы заттардың энтальпиясы нольге тең. Заттардың стандартық жағдайдағы энтальпиясының мәндері анықтама оқулықтарда берілген. Т=298ºК (25ºС) және 101,825 кПа (1 атм, 760 мм.с.б.) – стандарттық жағдай деп аталынады. Энтальпияның мәні бір мольге есептеліп берілген, сондықтан реакция теңдеуіндегі коэффициенттер ескеріледі. Сонымен қатар әр қосылысқа оның физикалық күйі көрсетіледі. Газ түрінде (г), сүйық (с), қатты зат (қ).

Химиялық реакция кезінде әрекеттесуші заттар арасында тартылыс және тербеліс күші пайда болады, соның нәтижесінде олар бір жағынан реттілікке, екінші жағынан ретсіздікке ұмтылады. Жүйенің реттілікке (агрегация) ұмтылуын энтальпия, ретсіздікке (дезагрегация) ұмтылуын энтропия сипаттайды.

Энтропия – әрпімен белгіленеді, өлшемі Дж/мольºК. Энтропияның өзгеруін Гесс заңынан шығатын салдар бойынша мына формуламен есептейді:

Заттардың стандарттық жағдайдағы энтропиясының мәні анықтама оқулықта берілген.

Әрекеттесуші заттарды қыздырғанда, буландырғанда, балқытқанда және көлем ұлғайғанда энтропия артады, яғни Δ S >0, конденсация кристаллизация және қысу арқылы көлемді азайтқанда энтропия кемиді, яғни Δ S <0.

Термохимиялық жүйенің реттілікке ұмтылуын энтальпия, ретсіздікке ұмтылуын энтропия сипаттайды. Бұл екі көрсеткіштің әсері бір-біріне байланысты емес. Сондықтан осы екі көрсеткіштің термохимиялық жүйеге әсерін есепке алу үшін термохимияға тағы бір көрсеткіш енгізілген, ол изобаро-изоптермиялық потенциал немесе Гиббстің борс энергиясы деп атайды. Гиббстің бос энергиясы G – әрпімен белгіленеді, оның өзгерісі Δ G, өлшемі кДж/моль. Гиббстің бос энергиясының өзгеруі мына формуламен анықталады:

∆ G =∆ H ─ Т ∆ S.

Гиббс энергиясының мәні бойынша реакцияның өздігінен жүретінін, немесе жүрмейтінін және қандай температурада жүретінін анықтауға болады. Егер Δ G <0 өздігінен жүреді; Δ G >0 өздігінен жүрмейді; Δ G =0 жүйе химиялық тепе-теңдікте.

Реакция жүрмей тұрған кезде Δ G =0, онда Δ H = T Δ S. Осыдан реакцияның қандай температурада жүретінін есептеуге болады:

.

1 мысал. Этил спиртінің жану реакциясы мына термохимиялық теңдеумен өрнектеледі:

С ₂ Н ₅ ОН (г)-тың мольдік бу түзу жылуы + 42,36 кДж. С ₂ Н ₅ ОН (г), СО ₂ (г), Н ₂ О (с)-ның жылу түзуін қосымшада келтірілген кестеден алып көрсетілген реакцияның жылу эффектісін есептеп шығарыңыз.

Шешуі:

Δ H -ты анықтау үшін C ₂ H ₅ OH _(C) жылу түзуін білу керек.

Оны былай анықтайды:

осыдан

Реакцияның жылу эфектісін Гесс заңынан шығатын салдарды қолданып есептейміз:

2 мысал. I моль заттың энтропиясы бірдей температурада қандай күйде көп: кристалдық немесе бу күйінде?

Шешуі:

Энтропия заттың ретсіздікке ұмтылуын сипаттайды. Кристалда бөлшектер (атомдар, иондар) ретімен кеңістіктің бір нүктесінде орналасқан, ал газдарда ондай шектік жоқ.

1 моль газдың алатын көлемі 1 моль кристалдық заттың көлемінен көп. Энтропия заттын атом-молекулалық құрылысының ретсіздігінің сандық өлшемі болғандықтан бірдей температурада 1 моль будың энтропиясы кристалдың энтропиясынан көп.

3 мысал. жүйесінде стандарттық жағдайда реакция тура немесе кері бағытта жүретінін анықтаңыз.

Шешуі:

Реакцияның бағытын анықтау үшін тура реакцияның Δ G – есептеп шығару керек. Заттардың Δ G -ның мәні қосымша кестеде берілген. Δ G -ың мәні реакция үшін Гесс заңымен шығатын салдар бойынша анықталады:

Δ G >0 болғандықтан Т =298К және Р -1,013·10⁵ Па жағдайында реакция тура бағытта жүре алмайды.

Дата добавления: 2015-11-16