Термодинамический метод рассмотрения химических процессов

Термодинамический подход заключается в рассмотрении начального и конечного состояний взаимодействующих веществ, при этом не учитываются механизм и скорость процесса.

Для описания систем используют набор термодинамических функций, основными из которых являются Н – энтальпия, S – энтропия, G – энергия Гиббса. В справочных таблицах приводят стандартные: энтальпии образования веществ , кДж/моль, энтропии веществ , Дж/(моль×К) (табл. П.1), энергии Гиббса образования веществ , кДж/моль. Стандартные условия:

Т = 298 К; Р = 1,013×10⁵ Па; вещества –химически чистые.

Энтальпийный эффект химической реакции определяют по закону Гесса и

следствию из него. Следствие из закона Гесса: изменение энтальпии химической реакции равно разности сумм энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрическихкоэффициентов:

= å(n ) – å (m ),

где n, m – стехиометрические коэффициенты.

Аналогичным образом можно рассчитывать изменение и других функций – энтропии ( ), энергии Гиббса ( ).

В системах, находящихся при постоянных температуре и давлении, самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса (DG < 0). Если DG > 0 , реакция протекает в обратном направлении, а при DG = 0 система находится в состоянии химического равновесия.

Пример. Вычислить стандартные изменения энтальпии, энтропии, энергии Гиббса в реакции CO_2(г) + С _{(графит)} = 2CO_(г). Определить температуру, при которой устанавливается химическое равновесие реакции, и сделать вывод о возможности протекания реакции в прямом направлении.

Решение.

· Рассчитать стандартное изменение энтальпии реакции:

= å (n ) – å (m )= 2 – ( + )=

= 2×(–110,5) – (–393,5 + 0) = 172,5 кДж.

>0 – эндотермическая реакция.

· Рассчитать стандартное изменение энтропии реакции:

= å (n ) – å (m )= – ( + ) =

=2·197,5 – (213,7 + 5,7) = 175,6 Дж/К = 175,6×10^-3 кДж/К.

· Рассчитать стандартное изменение энергии Гиббса реакции:

= – = 172,5 –298×175,6×10^-3 = 120,2 кДж.

> 0, при Т = 298 К прямая реакция невозможна.

· Определить температуру, при которой устанавливается химическое равновесие.

Если пренебречь зависимостями и DS от температуры и считать их постоянными, можно рассчитать энергию Гиббса при нестандартной температуре Т: DG = DН – Т×DS » – = – = 0 Þ Т = =

· Построить график зависимости от Т.

Из графика видно, что в интервале температур 0 – 982 К DG > 0, следовательно, прямая реакция невозможна; выше 982 К DG < 0, т.е. самопроизвольно протекает прямая реакция.

Задания к подразделу 2.1

Вычислить стандартные изменения энтальпии, энтропии, энергии Гиббса в соответствующей реакции ( , в табл. П.1). Определить температуру, при которой устанавливается химическое равновесие реакции, и сделать вывод о возможности протекания реакции в прямом направлении (из расчетных либо графических данных).

Скорость химических процессов

Для полного описания химической реакции необходимо знать не только принципиальную возможность ее осуществления (решается термодинамически), но и закономерности протекания во времени, т.е. ее скорость и механизм.

Химические реакции могут проходить в гомогенных и гетерогенных системах. Гомогенной называют систему, однородную по составу и свойствам. Гетерогенной называют систему, состоящую из двух или более однородных частей, отделенных друг от друга поверхностью раздела.

Скорость гомогенной химической реакции определяется изменением кон-центрации одного из исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени при неизменном объеме системы.

где – скорость химической реакции, моль/(л×с); C₁ – первоначальная концентрация вещества (в момент времени τ₁), моль/л; C₂ – концентрация вещества в момент времени τ₂ > τ₁, моль/л; ΔС – изменение концентрации вещества за время Δτ = τ₂ – τ₁; τ₁,– исходный момент времени, с; τ₂ – текущий момент времени, с; (τ₂ > τ₁).

В гетерогенных системах реакции идут на поверхности раздела отдель- ных частей системы. Скорость гетерогенной реакции определяют изменением количества вещества, вступившего в реакцию или образующегося в реакции в единицу времени на единице поверхности.

где – изменение количества вещества, моль за промежуток времени Δτ, с;

S – площадь поверхности раздела, м².

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации, температуры, присутствия катализаторов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: