Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ФОРМУЛА ГИББСА. РАЗРЕШЕННОСТЬ ПРОЦЕССОВ С ПОЗИЦИИ ТЕРМОДИНАМИКИ



Из графика (в виде соотнесенных отрезков), приведенного выше, видно, что , следовательно, G – тоже функция состояния (при ), поэтому изменение свободной энергии в ходе реакции можно рассчитать по формуле (она называется формулой Гиббса):

. (3)

Причем, если изменение G положительно ( ), то это означает, что свободная энергия системы при взаимодействии веществ должна самопроизвольно возрастать, что невозможно, поэтому такой процесс запрещен. Если же изменение G отрицательно ( ) т.е. энергия Гиббса в ходе реакции уменьшается, то процесс должен идти самопроизвольно.

Рассмотрим взаимодействия в системах, в которых начальные условия стандартные: Т=298К, р=1атм. и, кроме того, т.н. эффективные концентрации каждой из реагирующих частиц равны по 1моль/л. (Имеются в виду частицы (молекулы, ионы и т.п.) не только исходных веществ, но и продуктов взаимодействия.)

Эффективная концентрация иначе называется активностью [27] (обозначается буквой а). Она равна произведению коэффициента активности (f) на истинную концентрацию частиц данного сорта (C): a=f∙C.

Коэффициентактивности показывает долю сравнительно свободных (активных) частиц, не участвующих в «постороннем» межчастичном взаимодействии (ибо оно не приводит к осуществлению данной реакции, поэтому «отвлекает» от нее.) Так, для процесса: А + В = С, «посторонней» является ассоциация частиц А и B не между собой, а с C или со стенками сосуда и т.п.

Подчеркнем, что стандартные значения активностей частиц (ai=1 моль/л) могут соблюдаться лишь в первый момент реакции. А далее, если процесс идет, например, вправо, активности частиц реагентов снижаются, а продуктов – растут.

Для стандартных условий формула Гиббса запишется следующим образом:

. (3а)

Причем аналогично рассмотренному выше, при ст.у. тоже, если , то процесс должен идти самопроизвольно, а при реакция запрещена.

Формула (3а) позволяет оценить термодинамическую разрешенность процесса при любой (не только стандартной) температуре, используя и (см. разделы 2.1.1 и 2.1.2), поскольку значения и мало зависят от T. Для простоты будем записывать их, соответственно, как и , а изменение G при взаимодействии в ст.у. (кроме значения T, т.е. при любой заданной температуре) обозначим, как и получим:

. (3б)

(Подчеркнем, что в соответствии с формулой (3б) величина постоянна при каждой данной Т для данной реакции.)

Используя формулу (3б), проведем оценку знака , а значит, термодинамическую разрешенность химического взаимодействия в зависимости от температуры для четырех возможных случаев.

Случай 1. Если (экзопроцесс), а (рост энтропии в ходе реакции), то при любой Т имеем . И, следовательно, взаимодействие должно идти самопроизвольно, как, например, реакция: .

Случай 2. Если , а , то при любой температуре . А значит, процесс термодинамически запрещен (это реакция, обратная предыдущей).

Случай 3. Если и (что соответствует, в частности, взаимодействию: ), то возможны два варианта:

а) (это более вероятно при низкой Т), следовательно, , и значит, реакция разрешена;

б) (что более вероятно при высокой Т), как результат, , т.е. процесс запрещен.

Температуру смены знака можно рассчитать, приравняв равным нулю, тогда из формулы (3б) получим: .

Случай 4. Если и (реакция, обратная предыдущей), то возможны те же два варианта (рассмотрите их сами), но выводы обратные.

Изменение в процессе можно посчитать по формулам, аналогичным формулам изменения энтальпии и энтропии, используя табличные значения :

Метан

Метан СН4 (бесцветный газ) можно синтезировать по реакции, используя кроме нагрева еще и катализатор (Ni):

.

Однако на практике метан выделяют из природных газов (содержащих 60-90% СН4), что гораздо дешевле.

Природные газы – это, например, рудничные, а также болотные. (Они получаются при разложении останков растений и животных в отсутствии кислорода.) Входит СН4 и в состав коксового газа (образующегося при нагревании угля без доступа воздуха). Во многих странах действуют установки получения метана анаэробной тепловой (40-60°С) переработкой отходов животноводства. При этом одновременно гибнут болезнетворные микробы и исчезает неприятный запах навоза; таким образом, он превращается в безвредное и очень ценное удобрение для полей.

Молекула СН4 является тетраэдром (sp3-гибридизация орбиталей углерода), т.е. симметричной частицей, поэтому (несмотря на полярность связей) неполярной. Как следствие, метан имеет низкую температуру сжижения (–162°С), практически не растворяется в воде и при об.у. химически достаточно инертен – не взаимодействует с растворами кислот и щелочей.

Однако его смеси с воздухом взрывоопасны, что часто бывает причиной несчастных случаев на угольных шахтах. Используется метан, в основном, как топливо, а также для получения водорода реакцией с парами воды (второй продукт – СО).

 

 




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.