Ентропія, енергія гіббса та напрямленість процесів

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ

Ентропія S	- міра невпорядкованості системи, функція стану системи. . Розмірність ентропії Дж/(моль·К).
Вільна енергія Гіббса (ізобарно-ізотермічний потенціал) G	- вільна енергія системи при Р,Т = const. G=H-TS або Δ G = Δ H - T Δ S. Розмірність кДж.
Стандартна енергія Гіббса утворення речовини	- зміна енергії Гіббса системи при утворенні 1 моль речовини з простих речовин стійких за стандартних умов. Розмірність кДж/моль.
Зміна вільної енергії Гіббса хімічного процесу	- різниця між сумою вільних енергій продуктів реакції та вихідних речовин з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів .
Критерії можливості перебігу реакції:	ΔG < 0 – реакція відбувається в прямому напрямку; ΔG >0 – реакція відбувається у зворотному напрямку; ΔG = 0 – стан хімічної рівноваги.

 

 

ПРИКЛАДИ ВИКОНАННЯ ЗАВДАНЬ

 

При виконанні завдань цього розділу див табл. 5.

 

Приклад 1. Залежність ентропії від агрегатного стану речовин.

Як зміниться ентропія при перетвореннях:

а) води в пару;

б) води в лід;

в)

Чому?

Відповідь.

а) Перехід Н₂О_(р) → Н₂О_(г) супроводжується збільшенням невпорядкованості системи і тому зростанням ентропії S₂ > S₁.

Оскільки , то Δ S > 0

б) Перехід

супроводжується збільшенням впорядкованості системи і тому зменшенням ентропії S₂ < S₁. Оскільки ΔS = S₂ – S₁, то ΔS < 0.

в) Перехід супроводжується збільшенням невпорядкованості системи, тому що утворюється газоподібна речовина СО₂. Ентропія системи збільшується, тобто S₂ > S₁ і ΔS > 0.

 

Приклад 2. Визначення можливості перебігу процесу за величиною зміни вільної енергії Гіббса.

Визначити можливість перебігу реакції

якщо відомі утворення (стандартна вільна енергія Гіббса або ізобарно-ізотермічний потенціал) усіх речовин: кДж/моль; кДж/моль; кДж/моль; кДж/моль. Відповідь обґрунтувати розрахунком реакції.

Розв’язання. Зміна вільної енергії Гіббса реакції розраховується за формулою:

,

де n і m – кількість молів певної речовини, моль;

і - стандартні вільні енергії Гіббса утворення продуктів реакції і вихідних речовин відповідно, кДж/моль.

Для даної реакції

Оскільки , то реакція можлива.

 

Приклад 3. Визначення стандартної енергії Гіббса утворення речовини за відомою величиною зміни енергії Гіббса реакції.

Відновлення заліза з його оксиду за допомогою СО відбувається за рівнянням:

Розрахувати утворення карбон(IV) оксиду, користуючись величинами утворення необхідних речовин.

Розв’язання. Зв’язок між і для всіх речовин, що увійшли в рівняння реакції, визначається за формулою:

,

де n і m – числа молів кожної з речовин в рівнянні реакції, моль;

і - стандартні вільні енергії Гіббса утворення продуктів реакції і вихідних речовин відповідно, кДж/моль.

Для даної реакції

.

Звідси визначаємо :

.

У табл.4 є значення всіх ізобарно-ізотермічних потенціалів для даної задачі: кДж/моль; кДж/моль;

кДж/моль. Отже

(кДж/моль).

 

Приклад 4. Визначення температури встановлення рівноваги в системі за термодинамічними параметрами.

Визначити, за якої температури настане рівновага в системі

За якої температури рівновага системи зміститься вправо?

Розв’язання. Термодинамічною умовою рівноваги є рівність . Знаходимо температуру, за якої встановиться рівновага в системі, із співвідношення

Оскільки умовою рівноваги є , то і . Тоді і .

Починаючи з цієї температури можливий самочинний перебіг реакції. Використовуючи перший наслідок із закону Гесса, знаходимо і за рівняннями і , підставивши взяті з таблиць теплоти утворення і ентропії компонентів реакції:

.

Отже, при Т=983,6 К - в системі встановиться рівновага, тобто однаково ймовірні прямий та зворотний напрямки реакцій. При температурах, що перевищують 983,6 К, рівновага зміщуватиметься вправо, тобто відбуватиметься пряма реакція, а при температурах нижче 983,6 К рівновага зміститься вліво, відбуватиметься зворотна реакція.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ

Не виконуючи розрахунків, встановити знак ΔS наступних процесів:

 

141.

 

142.

 

143.

 

144.

 

145.

 

146.

 

147.

 

148.

 

149.

 

150.

 

151.

 

152.

 

153.

 

154.

 

155.

 

156.

 

157.

 

158.

 

159.

 

160.

 

161. Зробити висновок про можливість самочинного перебігу реакції за стандартних умов

.

Відповідь обґрунтувати розрахунком реакції.

Відповідь: – 959,5 кДж.

162. За якої температури настане рівновага в системі

Відповідь: 325 К.

 

163. Визначити утворення натрій алюмінату на підставі реакції:

Відповідь: –1076,0 кДж/моль.

 

164. При якій температурі настане рівновага в системі

Відповідь: 385,5 К.

 

165. Визначити зміну стандартної енергії Гіббса реакції окиснення етилового спирту

.

Зробити висновок про можливість самочинного перебігу реакції за стандартних умов.

Відповідь: –1326,5 кДж.

 

166. При якій температурі однаково ймовірні прямий та зворотний напрямки реакції

Відповідь: 882,3 К.

 

167. Визначити утворення С₂Н_{4 (Г)}, виходячи з рівняння реакції окиснення його:

Відповідь: 68,12 кДж/моль.

 

168. За якої температури настає рівновага в системі

кДж?

 

Відповідь: 884,5 К.

 

169. В якому напрямку відбувається оборотна реакція

за стандартних умов? Відповідь обґрунтувати розрахунком реакції.

Відповідь: 130,22 кДж.

 

170. За якої температури настане рівновага в системі

кДж?

Відповідь: 389,2 К.

 

171. Визначити утворення СО _(Г) на підставі рівняння реакції відновлення алюмінію з його оксиду за допомогою СО

Відповідь: –137,27 кДж/моль.

 

172. Реакція відновлення FeO відбувається за рівнянням

При якій температурі почнеться відновлення FeO.?

Відповідь: понад 867,9 К.

 

173. Визначити утворення сірководню, виходячи з рівняння реакції:

Відповідь: –33,02 кДж/моль.

174. При якій температурі настане рівновага в системі

Відповідь: 466,8 К.

175. Зробити висновок про можливість самочинного перебігу реакції відновлення Fe₃O₄ воднем:

Відповідь обґрунтувати розрахунком реакції.

Відповідь: 99,6 кДж.

176. Визначити, при якій температурі можливий перебіг реакції

Відповідь: 6445,1 К.

 

177. Виходячи з рівняння реакції

визначити утворення Fe₃O_{4 (К)}.

Відповідь: –1014,8 кДж/моль.

 

178. При якій температурі однаково ймовірні прямий та зворотний напрямки реакції

Відповідь: 965,5 К.

 

179. В якому напрямку проходить оборотна реакція згоряння хлороводню

за стандартних умов? Відповідь обґрунтувати розрахунком реакції.

Відповідь: -79,6 кДж.

 

180. При якій температурі стає термодинамічно можливою реакція відновлення титан(IV) оксиду до вільного металу за рівнянням:

Відповідь: 1987,6 К.

 

ХІМІЧНА КІНЕТИКА