Изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия Гиббса.

Все системы самопроизвольно стремятся к минимуму энергии (ΔH), но одновременно к максимуму неупорядоченности (S).

Функцией состояния, одновременно отражающей влияние обеих тенденций на направление протекания химических процессов, служит изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия Гиббса.

Изменение изобарно-изотермического потенциала или свободной энергии Гиббса в химическом процессе:

ΔG = ΔH – TΔS (при P =const)

Процессы, протекающие в закрытых сосудах при постоянном объеме, характеризуются изменением свободной энергии Гельмгольца ΔF:

ΔF = ΔU – TΔS (при V = const)

Энергии Гиббса и Гельмгольца являются функциями состояния, т.е. их изменение (ΔG и ΔF) зависят только от начального и конечного состояний и не зависят от пути осуществления процесса. Для химической реакции:

ΔG⁰_р = ∑ΔG⁰_{продуктов} - ∑ΔG⁰_{исходных}

ΔG и ΔF имеют ту же размерность, что и энтальпия. ΔG⁰ образования простых веществ принимают равными нулю.

ΔG_р = ΔH_р – TΔS_р

При низких температурах значение TΔS мало, преобладает энтальпийный фактор (ΔH) и принцип Бертло справедлив - тепловой эффект определяет возможность самопроизвольного протекания реакции.

При высоких температурах преобладает энтропийный фактор (– TΔS) и принцип Бертло неприменим.

Если система находится в состоянии равновесия, в системе не происходит ни энергетических изменений (ΔH = 0), ни изменений в степени беспорядка (ΔS = 0), то есть ΔG = 0.

При постоянстве температуры и давления химические реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при котором энергия Гиббса системы уменьшается ( ΔG < 0).

Пример. Вычислить ΔG⁰ реакции и сделать вывод о возможности ее самопроизвольного протекания (при t⁰ = 25⁰C)

CO(г)+ 1/2 O₂(г) = CO₂(г)

Из таблиц находим ΔG⁰_обр.в-в:

Вещества	ΔG^0, кДж/моль
CO2	- 394,4
CO	- 137,1
O2
Cкр

Пользуясь законом Гесса находим:

ΔG⁰_р = ΔG⁰_CO –ΔG⁰_CO = – 394,4 – (– 137,1) = – 257,3 Кдж

ΔG⁰_р < 0 - значит, прямая реакция возможна.

Изменение изобарно-изотермического потенциала реакции связано с ее константой равновесия (K_р) зависимостью:

ΔG⁰_р = – RT ln K_р.

При стандартных условиях ΔG⁰_р = – 5,69 lg K_р.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы называются экзотермическими и эндотермическими? Приведите примеры соответствующих реакций.

2. Что называется тепловым эффектом реакции?

3. В каких единицах обычно измеряют тепловой эффект химической реакции?

4. Чем отличаются термохимические уравнения реакций от обычных химических реакций

5. Сформулируйте I закон термодинамики и запишите его математическое выражение.

6. Как выражается тепловой эффект реакций при: а) V = const; б) P = const?

7. Что называется внутренней энергией веществ и систем и какова ее размерность?

8. Возможно ли экспериментальное определение величины внутренней энергии вещества или системы?

9. Что называется энтальпией и каков ее физический смысл?

10. Каковы знаки ΔH⁰ в экзо- и эндотермических реакциях? Особенности написания термохимических и термодинамических уравнений реакций.

11. Какие условия определяют стандартное состояние?

12. Что называется теплотой образования и какова ее размерность?

13. Как формулируется закон Гесса?

14. Сформулируйте следствие из закона Гесса?

15. Приведите примеры применения закона Гесса.

16. Что называется энтропией, каково ее изменение в самопроизвольно протекающих процессах?

17. Каков физический смысл энтропии?

18. От каких факторов зависит энтропия и какова ее размерность?

19. Как, используя следствие из закона Гесса, рассчитать ΔS⁰ реакции?

20. В чем состоит принцип Бертло и всегда ли он справедлив?

21. Написать выражение для изобарно-изотермического потенциала.

22. Как рассчитать ΔG⁰ химической реакции, и какова ее размерность?

23. Напишите выражение для свободной энергии Гельмгольца. Для каких условий оно применимо?

24. При каком значении ΔG⁰ реакции, возможно самопроизвольное ее протекание?

25. Какие значения приняты для ΔH⁰ и ΔG⁰ образования простых веществ?

26. Как рассчитывается константа равновесия по значению ΔG⁰ реакции?

Дата добавления: 2015-10-02