Направленность химических реакций. Свободная энергия Гиббса

4.3.1 Вопрос о возможности самопроизвольного прохождения реакций относится к числу наиболее важных в химии. Опыт показывает, что при низких температурах самопроизвольно развиваются 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, определяющие возможность развития реакции в том или ином направлении:

· стремление системы перейти в состояние с наименьшей внутренней энергией (с выделением её части в окружающую среду), характеризуется уменьшением энтальпии системы (∆H), т.е. экзотермическим эффектом;

· стремление к беспорядку, характеризуется изменением энтропии системы (∆S).

Сопоставление этих двух факторов - энтальпийного и энтропийного дает возможность однозначно определить направление самопроизвольного развития химической реакции при заданных условиях. Величины ∆Н и ∆S в термодинамике связаны, при условии постоянства давления (Р) и температуры (Т), соотношением:

∆G = ∆H -T∆S, (14)

где, ∆G – так называемая свободная энергия Гиббса (или изобарно-изотермический потенциал), кДж/моль.

Именно в рамках этой термодинамической функции, отражающей степень химического сродства реагентов их способность к взаимодействию, выполняется фундаментальный принцип наименьшей энергии, согласно которого: из двух возможных состояний, в которые может трансформироваться та или иная система, более вероятным окажется то состояние, для которой характерно меньшее значение энергии. Для химических систем важным дополнением к этому определению является то, что речь идет не о всякой энергии (в том числе и не внутренней энергии), а при постоянстве температуры и давления, о свободной (несвязанной) энергии Гиббса, которая в отличии от внутренней учитывает вклад и энтропийной составляющей, согласно уравнения:

∆G = ∆H - T∆S

Таким образом, самопроизвольно могут развиваться только те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса (∆G). Последнее и положено в основу оценки направления развития химических реакций:

· если ∆G < 0, самопроизвольно может идти прямая реакция;

· если ∆G > 0, реакция в прямом направлении не идет;

· если ∆G = 0, система находится в состоянии химического равновесия.

Поясним вышеизложенное на примере.

Требуется определить, возможно ли развитие реакции:

С_(Г) + ¹/₂О ₂ ⇄ СО_(Г),

При стандартных условиях в прямом направлении, если соответствующие данной реакции значения энтальпии и энтропии составляют ∆ Н⁰ = 86 кДж/моль, ∆ S⁰ = 88 Дж/(моль·К).

Решение:

Рассчитаем стандартную энергию Гиббса химической реакции, воспользовавшись уравнением (14):

∆G⁰ = ∆H⁰ - T∆S⁰ = 86 – 298·88·10^-3 = 59 кДж/моль.

Вывод: ∆G⁰ > 0, следовательно, в стандартных условиях реакция самопроизвольно не идет.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: