Влияние температуры на направление реакции

Рассмотрим влияние температуры на направление реакции на примере синтеза аммиака.

3 H_2(г) + N_2(г) = 2 NH_3(г)

Выпишем из Приложений1 и 2 значения стандартных этальпий ΔH⁰_f, кДж/моль и энтропий S⁰, Дж/(К·моль):

Рассчитаем изменение энтальпии и энтропии

ΔH⁰ = 2 ΔH⁰_f, _NH3(г) - (ΔH⁰_f, _N2(г) + 3 ΔH⁰_f, _H2(г)) = 2·(-46,19) – (0 +3·0) = -92,38 кДж;

ΔS⁰ = 2S⁰_NH3(г) - (S⁰_N2(г) + 3S⁰_H2(г)) = 2·192,5 – (191,5 + 3·130,6) = -193,3 Дж/К.

Найдем ΔG⁰ этой реакции для температур: 25 ⁰С и 350 ⁰С.

- 25⁰С, (25 + 273 = 298 К)

ΔG⁰ = ΔH⁰ – T · ΔS⁰ = -92,38 – 298 · (-198,3 · 10^-3) = -33,29 кДж; ΔG⁰<0

- 350⁰С, (350 + 273 = 623 К)

ΔG⁰ = ΔH⁰ – T · ΔS⁰ = -92,38 – 623· (-198,3 ·10^-3) = 31,16 кДж; ΔG⁰>0

Следовательно, при 25 ⁰С принципиально возможно протекание реакции синтеза аммиака, а при сильном нагревании системы аммиак получить нельзя.

Правда, при 25⁰С реакция протекает очень медленно и с малым выходом. Ускорение реакции достигается факторами химической кинетики, которые будут рассмотрены далее.

Направление реакции зависит от характера изменения ΔG в соответствии с уравнением

ΔG = ΔH – T · ΔS

влияние температуры на ΔG определяется знаком и величиной ΔS.

На рис. 4 показана зависимость ΔG для реакций:

а) 2C_{(графит)} + O_2(г) = 2CO_(г), ΔS > 0;

б) 2Hg_(ж) + O_2(г) = 2HgO_(к), ΔS < 0;

с) C_{(графит)} + O_2(г) = CO_2(г), ΔS≈0.

а) Реакция 2С_{(графит)} + О_2(г) = 2СО _(г) протекает с увеличением объема, поэтому ΔS > 0. Судя по графику, повыение температуры приводит к увеличению отрицательного значения ΔG, т.е. благоприятно для протекания процесса.

б) Реакция 2Hg_(ж) + O_2(г) = 2HgO_(к) протекает с уменьшением объема системы, изменение энтропии ΔS < 0. При повышении температуры отрицательное значение ΔG уменьшается. Значит, в этом случае высокотемпературный режим препятствует протеканию процесса. При температуре 500 К значение ΔG становится положительным. Выше этой температуры реакция протекает в обратном направлении. Значит, при температуре ниже 500 К происходит образование оксида ртути (II), а выше 500 К он будет распадаться на простые вещества.

с) Для реакции С _{(графит)} + О_{2 (г)} = СО_{2 (г)} энтропия практически не меняется ΔS ≈ 0, так как в левой и правой части уравнения одинаковое число молей газообразных веществ. Следовательно, зависимость ΔG от температуры соответствует прямой, параллельной оси абсцисс (рис.4). Если в ходе реакции энтропия системы не меняется, то значение ΔG от температуры практически не зависит.

Рис. 4. Зависимость ΔG от температуры для ряда оксидов.

II. Кинетика

Раздел химии, изучающий скорости химических реакций, называется химической кинетикой.

В химической промышленности от скорости реакции зависит выбор аппаратуры, выход получаемого продукта. Поэтому нужно знать не только скорость используемой реакции, но и то, каким образом изменить условия процесса, чтобы реакция протекала с требуемой скоростью.

Скорость реакции определяется реакционной способностью веществ, способностью молекул веществ участвовать в химических реакциях с определенной скоростью.

Гомогенная химическая реакция протекает в гомогенной системе (в пределах одной фазы). Гомогенные реакции идут во всем объеме системы. Например, при взаимодействии серной кислоты и тиосульфата натрия образуется сера, которая вызывает помутнение во всем объеме раствора:

H₂SO₄ + Na₂S₂O₃ = Na₂SO₄ + H₂O + SO₂­ + S­

Гетерогенная химическая реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему. Такие вещества образуют различные фазы, поэтому реакция идет на поверхности раздела фаз. Например, растворение металла в кислоте идет на поверхности металла:

Fe +2HCl = FeCl₂ + H₂

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: