6.2. Уравнение максимальной работы химической реакции

Химический потенциал. Уравнение максимальной работы химической реакции (уравнение Гиббса –Гельмгольца). Химическое сродство. Константа равновесия и максимальная работа реакции. Зависимость константы равновесия от давления и температуры. Тепловая температура Нернста. Стандартные значения термодинамических функций веществ.

По теме не предусмотрены практические занятия, лабораторные и контрольные работы.

После изучения теоретического материалы следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме. Ответы можно найти в учебниках [1,3].

6.2.1. Химическое сродство. Мера химического сродства

Причиной реакции является химическое сродство реагирующих веществ, т.е. сила их стремления к соединению.

За меру химического сродства принимается максимальная работа реакции, величина которой для реакции может быть определена по следующим уравнениям:

При v, Т = const

. (6.16)

При р, Т = const

, (6.17)

где С –начальные концентрации; Р –начальные парциальные давления соответствующих газов.

Эти уравнения позволяют решить вопросы о возможности осуществления реакции при заданных условиях и о направлении реакции. Для этого следует сравнить значение , вычисленное по заданным начальным концентрациям веществ, со значением константы равновесия К_с, взятым из таблиц для рассматриваемой реакции при заданных условиях.

Если >K_c, т.е. L_max > 0, то при заданных условиях возможна прямая реакция превращения веществ А и В, в вещества С и D.

Если <K_c, т.е. L_max < 0, то при заданных условиях невозможна прямая реакция соединения веществ А и В, а возможна только обратная реакция –распада веществ С и D на вещества А и В. Если L_max = 0, то это означает, что при заданных условиях невозможны ни прямая, ни обратная реакции, так как при этих условиях система находится в химическом равновесии.

Ввиду того, что максимальная работа одной и той же реакции при одной и той же температуре есть величина переменная, зависящая от начальных концентраций веществ, для оценки химического сродства максимальные работы различных реакций берутся при начальных концентрациях всех веществ, равных единице. При этом

,

.

(6.18)

Последнее уравнение может быть применено для вычисления уменьшения свободной энергии и термодинамического потенциала, так как

; ;

при этом

=

= .

Закон Нернста (тепловая теорема). Согласно закону Нернста вблизи абсолютного нуля в реакциях, протекающих в конденсированных системах, равны максимальные работы и тепловые эффекты:

,

а также

. (6.19)

По закону Нернста постоянная интегрирования в уравнениях константы равновесия и максимальной работы для конденсированных систем равна нулю.

Следствие тепловой теоремы:

1. При абсолютном нуле теплоемкость с_i конденсированных тел равна нулю:

.

Опытные данные позволяют предположить, что при абсолютном нуле не только алгебраическая сумма теплоемкостей, но и теплоемкость каждого тела в отдельности равна нулю.

2. При абсолютном нуле энтропия конденсированных тел равна нулю:

.