
книги из ГПНТБ / Еремин, Е. Н. Основы химической термодинамики учеб. пособие
.pdfТепловой эффект |
этой реакции |
АЯгда = 6400 |
кал/моль, т. е. она |
|
эндотермична, а кроме того, сопровождается |
убылью энтропии: |
|||
AS^gg = |
^298 (Ц. бутан) |
S-Ш (бутен) = |
9,61 |
Э. в. |
Отсюда стандартный изобарный потенциал реакции (V.66)!
ДО.»8 = 6400 + 9,61 • 298,15 = 9960 кал/моль.
Иными словами, изомеризация бутена в стандартных условиях про текает с увеличением изобарного потенциала и поэтому не столь уж удивительны неудачные попытки химиков-органиков осуществить эту реакцию.
Пользуясь |
таблицами термодинамических величин, |
законом Гесса |
и уравнением |
(V.60), составим термодинамические |
характеристики |
некоторых простых реакций с участием газов (табл. 13). В избран ных четырех реакциях имеется нечто общее — во всех из двух молей газа получаются три моля также газообразных веществ. В связи с
этим, как можно видеть, изменения энтропии везде |
положительны и |
|||||||||
не очень |
сильно |
различаются — ведь приращения |
энтропии во всех |
|||||||
четырех |
реакциях |
связаны с появлением моля |
вещества |
в наиболее |
||||||
хаотизированном |
газообразном состоянии. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
13 |
||
|
|
Термодинамические |
характеристики |
некоторых |
|
|||||
|
|
|
простых |
реакций с участием |
газов |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Д Я 2 9 4 . |
AS a os , |
|
|
№ |
|
|
Р е а к ц и я |
|
ккал/моль |
реак |
||||||
|
|
|
|
ккал/моль |
кал/град-моль |
ций |
||||
|
2 С 0 2 = 2СО + |
0 2 |
135,3 |
41,5 |
|
122,9 |
(V.67) |
|||
|
2N 2 0 = 2N 2 + |
0 2 |
—39,0 |
35,4 |
|
—49,5 |
(V.68) |
|||
|
2N0 2 |
= 2NO + |
0 2 |
27,0 |
34,7 |
|
16,7 |
(V.69) |
||
|
2 N 0 2 |
= N 2 + 20 2 |
— 16,2 |
28,8 |
|
—24,8 |
(V.70) |
|||
Зато сильно различаются |
тепловые эффекты — от |
эндотермического |
||||||||
процесса |
диссоциации |
С0 2 (+135,3 ккал/моль) |
до |
экзотермического |
разложения закиси азота на азот и кислород. Сопоставление значе ний AG с тепловыми эффектами показывает, что последние опреде ляют для этих реакций знак и величину AG, а отсюда и термодина мически вероятное направление реакции. В связи с этим, отнюдь не отказываясь от приведенной ранее критики принципа Бертло следует указать на многочисленность примеров, когда в общем не верный принцип подтверждается. Так, большие положительные зна чения АЯ для реакций (V.67) и (V.69) определяют также положитель ное изменение изобарного потенциала. Следовательно, в стандартных условиях могут самопроизвольно протекать реакции противополож ного направления. Для закиси азота справедливо обратное. Здесь отрицательное значение АЯ ведет к отрицательному AG и это застав-
—120 —
ляет считать N 2 0 веществом неустойчивым при обычных условиях. Возможность же ее применения в лабораториях и медицинской прак тике обусловлена кинетическими причинами, т. е. очень малой ско ростью разложения закиси азота, что в отсутствие катализаторов де лает ее практически устойчивой.
Т а б л и ц а 14*
Термодинамические характеристики некоторых веществ: стандартные тепловые эффекты, энтропии и изобарные потенциалы реакций образования из простых веществ
Вещество
Ag |
газ) |
AgCl |
газ) |
AgCl |
тв) |
Al |
газ) |
AICI3 |
тв) |
В |
газ) |
BC13 |
газ) |
B 2 H e |
газ) |
Ba |
газ) |
ВаС12 |
тв) |
Сгаз)
Салмаз)
Сграфит) СО газ)
С 0 2 |
газ) |
|||
|
|
Н |
газ) |
|
|
Н 2 |
газ) |
||
|
D 2 |
газ) |
||
HD |
газ) |
|||
Н 2 |
0 |
газ) |
||
Н 2 |
0 |
ж ) |
||
н2 о2 |
||||
ж) |
||||
|
|
N |
газ) |
|
N 0 |
газ) |
|||
|
|
О |
газ) |
|
|
о3 |
газ) |
||
он |
газ) |
|||
сн4 |
газ) |
|||
с2 |
н2 |
газ) |
||
с2 |
нв |
газ) |
||
с0 |
нв |
газ) |
цикло С 6 Н 1 2
ккал/моль |
208" |
ккал/моль |
ккал/град-моль |
69,12
23,23
-30,36
75,00
-166,2
97,2
-94,5
7,5
-41,96 -205,56
171,698
0,4532
0,000 -26,416
-94,052
52,089
0,000
0,000
0,037
—57,7979
-68,3174 —44,88 85,565 21,600 59,159 34,5 10,06
— 17,889 54,194
-20,236
19,820
29,43
41,322 |
52,84 |
58,5 |
16,79 |
22,97 |
-26,22 |
39,303 |
65,3 |
25,64 |
-152,2 |
36,649 |
86,7 |
69,29 |
-90,9 |
55,66 |
19,8 |
40,699 |
34,60 |
30 |
-193,8 |
37,761 |
160,845 |
0,5829 |
0,6850 |
1,3909 |
0,000 |
47,216 |
—32,808 |
51,071 |
-94,260 |
27,3927 |
48,575 |
31,208 |
0,000 |
34,602 |
0,000 |
34,341 |
— 0,391 |
45,106 |
-54,6357 |
16,716 |
56,6902 |
36,6147 |
81,471 |
50,339 |
20,719 |
38,4689 |
54,994 |
56,8 |
39,06 |
43,888 |
8,93 |
44,50 |
-12,140 |
47,997 |
50,000 |
54,85 |
—7,860 |
74,86 |
30,989 |
71,28 |
7,59 |
* Справочник химика, Т. I, П . М. — Л . , Госхимиздат, 1963, стр. 774, 854.
Интересно сопоставить две последние реакции (V.69) |
и |
(V.70) |
|||||||
(см. табл. 13). Их сопоставление |
позволяет |
сравнить |
|
с |
термо |
||||
динамической точки зрения два процесса |
разложения |
двуокиси |
|||||||
азота. |
Как |
при этом |
выясняется, |
N0 2 |
не |
должна |
разлагаться |
||
в стандартных условиях |
на окись |
азота |
и |
кислород, |
но |
обрат |
|||
ная |
реакция |
самопроизвольна. Однако |
та |
же двуокись |
азота |
—121 — '
неустойчива |
в |
отношении |
разложения на простые вещества, т. е. |
|
азот и кислород *. |
|
|||
В |
табл. |
14 приведены |
основные термодинамические характери |
|
стики |
некоторых |
веществ. |
|
§4. Зависимость изобарного потенциала реакции
от температуры
Как уже говорилось, основная термодинамическая характерис тика химической реакции AGr, вообще говоря, довольно сильно зави сит от температуры. Эта зависимость устанавливается различными мето дами; из них в первую очередь следует указать на аналитический вы вод функции AGr = / (Т), а также на вычисление AGr при различных температурах методами статистической термодинамики (гл. VI). Обратимся к первому из упомянутых методов. Будем исходить из известного уравнения Гиббса — Гельмгольца (V.48); переписываем его, помня о постоянстве давления и заменяя частную производную обычной:
|
|
dAG |
|
AGT |
= &HT + - j f - . |
(V.71) |
|
Перегруппируем последнее выражение и разделим его на Т2 : |
|
||
Td&G — &GrdT |
Д Я Г |
|
|
j—t— |
= - - f L d T . |
(V.72) |
|
Левая часть (V.72) является дифференциалом дроби AG/Г, |
поэтому |
||
d[—j |
= |
- - T f d T . |
(V.73) |
Таким образом получено уравнение, лежащее в основе аналитического вычисления зависимости AGr от температуры.
Перед рассмотрением различных способов использования урав нения (V.73) условимся применять его преимущественно к стандарт ным условиям; для этого достаточно приписать AGr и Д # г верхние индексы нуль, т. е»
|
|
|
/AG° \ |
|
ДЯ°Т |
|
|
|
|
d [ — J = |
--f^rdT- |
(V.74) |
|
|
Далее, возьмем неопределенный интеграл соотношения (V.74): |
|||||
|
|
|
AGr = - Т |
|
dT - f JT, |
(V.75) |
где |
J |
— постоянная |
интегрирования, |
которую необходимо |
вычислять |
|
|
|
J |
|
|
в каждом отдельном случае, а для вычисления интеграла в правой части
* |
На |
основе приведенного термодинамического анализа |
реакций (V.69) и |
(V.70) |
в |
последнее время пытаются решить проблему очистки |
выхлопных газов |
автомобилей от окиси азота, отравляющей атмосферу городов. Именно окись азота
предлагается переводить |
в двуокись |
по реакции, обратной (V. 69), а далее разла |
гать N 0 2 каталитически |
на азот и |
кислород по (V.70) |
надлежит использовать зависимость теплового эффекта от температу ры, даваемую формулой Кирхгоффа (11.91). В общем виде получается
AG] |
Mij |
+ ^ACpdT |
dT + JT. |
(V.76) |
Теперь вспомним, что применение формулы Кирхгоффа |
рассматри |
|||
валось в трех приближениях: |
|
|
|
|
1. Теплоемкости |
исходных |
веществ |
и продуктов |
одинаковы, |
т. е. АСР = 0 и АН'т = AHj = const.
2.Теплоемкости исходных веществ и продуктов различны, но их разность постоянна АСР = const.
3.Теплоемкости участников реакции зависят от температуры. Рассмотрим в тех же приближениях
формулу (V.76). В первом, наиболее гру бом приближении получается
|
ДСг = АЯ + |
JT. |
|
|
(V.77) |
|
|
|
|
|
|
||||||
Здесь опущены индексы у АН, поскольку |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
они при этом |
приближенном |
вычислении |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
теряют смысл. Несмотря на приближен |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ность, |
формулу |
|
(V.77) |
|
вполне |
можно |
|
|
|
|
|
|
|||||
использовать |
не |
в |
очень |
широком |
ин |
|
•Ш |
380 |
|
||||||||
тервале |
температур |
и |
для |
ориентиро |
|
|
|
Г, "Л |
|
|
|||||||
вочных |
подсчетов. |
Мы |
|
ее |
используем |
Рис. V.9. |
Изменение AG°T |
||||||||||
впоследствии |
при |
интегрировании |
так |
||||||||||||||
с температурой для |
реакции |
||||||||||||||||
называемого |
уравнения |
|
изобары |
Вант- |
диссоциации |
(V.78) |
|
удовлет |
|||||||||
Гоффа, |
а пока |
ограничимся |
демонстра |
воряет |
линейной |
зависимо |
|||||||||||
цией графика |
(рис. V.9) зависимости |
изо |
|
сти |
(V.77). |
|
|||||||||||
барного |
потенциала |
от температуры |
реак |
|
|
|
|
|
|
||||||||
ции диссоциации |
кислого фтористоводородного тетраметиламмония: |
||||||||||||||||
|
|
(СН3 )4 |
NFHF (тв) ^ |
(СН3 )4 NF (тв) + HF |
|
|
|
(V.78) |
|||||||||
Как видно из рис. V.9, в данном случае линейная |
зависимость |
(V.77) |
|||||||||||||||
удовлетворительно |
выполняется. Укажем, что формулу |
(V.77) |
можно |
||||||||||||||
было получить и непосредственно из уравнения (V.48) AG = АН |
|
—TAS, |
|||||||||||||||
допустив наряду |
с постоянством |
теплового |
эффекта |
реакции |
также |
||||||||||||
и независимость |
изменения |
энтропии от температуры. Таким |
образом |
||||||||||||||
в рассматриваемом |
приближении |
постоянная |
интегрирования |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
У = —AS, |
|
|
|
|
|
(V.79) |
|||
т. е. непосредственно |
равна энтропии реакции. Формула |
(V.77) |
вместе |
с (V.79) полезна еще и тем, что она указывает на изменение энтропий ного члена TAS как на главную причину изменения AG реакции с тем пературой. Иначе говоря, изобарный потенциал реакции тем сильнее зависит от температуры, чем больше в ходе реакции изменяется энтро пия системы, т. е. чем сильнее изменяется общая беспорядочность ее
—123 —
молекулярного состояния *. В табл. 15 приведены данные, показыва ющие изменение A G T для некоторых реакций в интервале температур 298—596° К. Как видно, зависимость AG = / (Г) довольно значительна, хотя это в отдельности для А Н и AS не свойственно.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 15 |
Иллюстрация зависимости |
изобарного |
потенциала |
||
|
реакций от температуры |
|
||
Р е а к ц ии с участием |
газов |
ккал/моль |
5901 |
|
|
|
|
ккал/моль |
|
N O ( r ) + i - 0 2 |
( r ) = |
N 0 2 ( r ) |
—8,33 |
—2,97 |
СО (r) + i - 0 2 |
= C0 2 (г) |
—61,4 |
—55,1 |
|
С 2 Н 4 (г ) + Н 2 |
(г) = С 2 Н в ( г ) |
—24,1 |
— 15,2 |
|
Реакции с участием твердых |
|
|
||
веществ |
|
|
+31,2 |
+ 19,8 |
СаС0 3 (тв) = СаО (тв) + С 0 2 (г) |
||||
С(графит) + 1 о 2 ( г ) = СО-гг) |
—32,8 |
—39,4 |
Перейдем ко второму приближению, когда постоянной считается разность теплоемкостей. Если А С Р = const, то интегрирование урав нения (V.76) приводит к следующему результату:
AG°T = АН |
j - \ - А С РТ 1пТ + / 7 \ |
(V.80) |
Или, переходя к десятичному |
логарифму, |
|
AGr = A# y - 2,303AC p rigr + Л \ |
(V.81) |
Эта формула по сравнению с (V. 77) уже более точно передает зависимость AG = / (Т) и ее можно использовать в более широком интервале тем ператур.
Рассмотрим вновь реакцию превращения метана в ацетилен (V.61), для которой было найдено Авш = 74 280 кал/моль.
На стр. 118 приведены теплоемкости участников реакции; исполь зуя их, находим А С Р :
Д С Р = 10,5 + 3-6,89-2-8,54 = 14,09 кал/град• |
моль. |
|||
Далее, записывая формулу |
Кирхгоффа во втором приближении |
|||
|
AHT |
= |
AHJ-\-AC'PT |
|
находим константу AHJT |
если, как следует из (V.62), |
|
||
|
АЯ.298 = |
89 972 |
|
|
АНj = АЯ;9 8 - |
АС; 298,15 = 89 972 - 14,09 • 298,15 = |
|||
|
= 85 771 |
кал/моль. |
(V.82) |
* Об интерпретации энтропии как меры беспорядочности молекулярного со стояния системы см. § 1 гл. V I .
----- 124 —
Теперь можем переписать формулу для AG°T (V.81) в таком виде AG'T = 85 771 — 14,09Г In Т + J T .
Здесь остается неизвестной постоянная интегрирования J . Определяем ее, используя уже известное значение AG298 = 74 280 кал/моль:
r |
AG° -АН. |
74280-85711 |
|
|
J = |
298,15 J + A C ; i n 2 9 8 , 1 5 = |
2 9 8 1 5 |
+ |
|
|
+ 14,09 • 2,303 lg 298,15 = 41,750. |
|
Теперь можем написать окончательно формулу второго приближения
|
AG°T |
= 85 771 - |
14,09 • 2.303Г lg Т + 41,750Г кал/моль |
С2 Н2 . (V.83) |
|||||||||||
|
В табл. |
16 приведены |
значения AGT для ряда температур. Таким |
||||||||||||
образом, стандартный |
изобарный потенциал реакции |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2СН4 = С2 Н2 + ЗН2 |
|
|
|
|
||
с |
повышением |
температуры изменяет |
знак |
и при |
1500° К реакция |
||||||||||
в |
стандартных |
условиях |
уже |
становится |
самопроизвольной. |
Этот |
|||||||||
расчет, |
выполненный |
в |
до |
|
|
|
|
Т а б л и ц а 16 |
|||||||
вольно |
широком |
|
интервале |
|
|
|
|
||||||||
|
Значения |
стандартного |
изобарного |
||||||||||||
температур, |
|
не может претен |
|||||||||||||
довать на большую |
|
точность, |
потенциала реакции (V.61) для различных |
||||||||||||
|
|
|
температур |
|
|
||||||||||
тем не менее он правильно |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
передает общий |
характер за |
|
|
AGj, |
ккал/моль |
|
|||||||||
висимости |
изобарного |
потен |
|
|
|
||||||||||
т, °к |
|
|
|
|
|
||||||||||
циала реакции |
(V.61) |
от тем |
2-е |
п р и б л и ж е н и е , |
3-е приближение, |
||||||||||
пературы. Именно при темпе |
|
формула (V.83) |
формула |
(V.88) |
|||||||||||
ратурах |
выше |
1500° К |
воз |
|
|
|
|
|
|
||||||
можно практическое |
осущест |
298,15 |
|
74,280 |
|
74,280 |
|||||||||
вление |
реакции |
получения |
|
|
|||||||||||
500 |
|
62,857 |
|
62,894 |
|||||||||||
ацетилена из природного газа |
750 |
|
47,113 |
|
47,489 |
||||||||||
метана. |
В |
|
технологических |
1000 |
|
30,174 |
|
31,411 |
|||||||
методах необходимая высокая |
1250 |
|
12,344 |
|
15,100 |
||||||||||
температура |
достигается |
или |
1500 |
|
—6,195 |
|
—1,194 |
||||||||
1750 |
|
—25,325 |
|
— 17,294 |
|||||||||||
с помощью |
|
мощной |
электри |
2000 |
|
—44,959 |
|
—33,104 |
|||||||
ческой |
дуги |
(метод |
электро |
|
|
|
|
|
|
крекинга), или сжигания части метана (окислительная конверсия).
При необходимости получения более точной зависимости по треть ему приближению обращаются к тем или иным формулам, передаю щим зависимость теплоемкости от температуры и уже обсуждавшимся
в гл. I I в |
связи с использованием формулы Кирхгоффа. Если, как |
|
чаще всего |
поступают, выражать теплоемкость участников реакции |
|
в виде эмпирических степенных рядов, |
например |
|
|
С; = а + ЬТ + сТ2 |
+ ..., |
то АСр выражается, как уже известно, также степенным рядом!
АѰР= Аа + АЬТ + АсТ2 +...
—125 —
Подставив это значение в интеграл (V.76), получают выражение
AGT = AHj-AaT\nT-~AbT2-\ |
AbT3-...+ |
JT, |
(V.84) |
которое Льюис и Рэндалл назвали в своей книге (см. список литера туры) общим уравнением свободной энергии * реакции. Здесь посто янные для данной реакции величины АНj и J необходимо определять, пользуясь формулой Кирхгоффа третьего приближения (11.107) и непосредственно формулой (V.84). Иначе говоря, эти постоянные будут отличаться от аналогично обозначенных постоянных в формуле (V.80). Если же воспользоваться иной функцией теплоемкости, а именно (11.104), то для теплового эффекта по формуле Кирхгоффа получается выражение
АНт = AHj + AaT + ~ АЬТ2 + 1 АсТ3 - Ac'T'1, |
(V.85) |
а уравнение третьего приближения для изобарного потенциала при нимает вид, отличающийся от (V.84) дополнительным членом:
AG°T ^AHj-AaT |
In Т -~ AbTz-± |
АсТ3 — ^ |
Ac'T'1 |
+ JT. |
(V.86) |
Вычислим по этому уравнению AGr реакции |
2СЯ4 |
= С 2 Я 2 |
+ ЗЯ2 , |
воспользовавшись теплоемкостями участников реакции, приведенными
в табл. 4, в функциях которой члены в Т3 |
опущены. Примем |
для |
||||||||||||
|
СН4 |
С°р = |
5,65 + |
11 • 44 • 10'3 Т |
-0,46-1WT'2 |
кал/град |
• моль |
|||||||
|
|
Н а |
Ср = |
6,52 + 0,78-10-3 7Ч-0,12- 10ЬТ2 |
кал/град• моль |
|
||||||||
|
С2 Н2 |
С ; = 12,13 + 3,84- 10-3 Г —2,46- 105 Г2 |
|
кал/град-моль |
|
|||||||||
Находим |
теперь |
значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Аб7 = 20,39, |
АЬ = - 16,70-10"3 |
и |
Ас' = |
- |
1,18-10» |
|
||||||
и |
записываем формулу |
Кирхгоффа |
(V.85) |
для |
298,15° К: |
|
|
|||||||
|
Д Я 2 9 8 = 89972 = АН j + 20,39 • 298,15 - |
± |
16,70 • 10- 3 (298,15)2 |
+ |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
+ 1,18-10б (298,1s)-1. |
|
|
|
|
|
|||
Из |
этого |
уравнения с одним неизвестным определяем постоянную |
||||||||||||
АЯу = |
84239. Далее |
записываем формулу |
(V.86) с известными |
значе |
||||||||||
ниями |
констант: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
AGJ98 = 74280 = 84239 - 20,39 • 2,303 • 298,15 lg 298,15 + |
|
|||||||||||
|
|
|
+ 8,35-10"3 |
(298,15)а + 0,59 • 105 |
(298,15)~х |
+ JT |
|
(V.87) |
||||||
|
* В этой книге вместо принятого здесь обозначения AG пишется Д/7 , но имеется |
|||||||||||||
в виду |
изобарный |
потенциал — свободная |
энергия |
Гиббса, |
|
|
|
|
— 126 —
и вычисляем J — 79,637. Теперь формула третьего приближения при нимает следующий окончательный вид:
AGT = 84239 - 46.958Г lg Т + 8,35 • 10~3Т2 |
+ 0,59 • 1 0 5 Г - 1 + |
+ 79,6377. |
(V.88) |
Вычисленные по этой формуле значения AG°T |
Д Л Я тех же температур, |
что и ранее приведены в табл. 16. Из полученных данных видно, что |
значительное расхождение между третьим и несравненно более про стым вторым приближением наблюдается при самых высоких темпе
ратурах, т. е. 1500, 1750 и 2000° К, именно когда появляется |
возмож |
||||||||||||||||||
ность |
осуществления |
реакции. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Таким образом, в данном случае |
|
8 0 < |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
второе |
|
приближение |
не |
может |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
точно |
указать |
возможные выхо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ды ацетилена при высоких тем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
пературах. Что же касается уме- ^ 20 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ренных |
температур, то, вообще |
£ о |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
говоря, |
второе |
|
приближение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
дает |
приемлемые |
результаты. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
На |
|
рис. |
V.10 |
результаты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
расчетов приведены в виде зави |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
симости |
AGT — f |
( Т ) . |
Как видно, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
оба |
графика |
отклоняются |
от |
|
Рис. V.10. Зависимость стандартного изо |
||||||||||||||
прямой, однако |
любопытно, что |
|
|||||||||||||||||
|
барного |
потенциала |
реакции |
2CHj |
= |
||||||||||||||
в |
данном случае |
зависимость |
|
|
= C2 H2 -f-3H2 от температуры: |
|
|||||||||||||
более |
точного |
третьего прибли |
|
/ — второе |
п р и б л и ж е н и е |
ДС „ = const, |
фор |
||||||||||||
жения |
ближе |
к линейной. |
|
|
|
мула |
(V . 83); 2 — третье |
п р и б л и ж е н и е |
АС |
= |
|||||||||
|
Рассмотрим |
еще |
один |
ва |
|
|
|
|
= |
I (Г), формула (V . 88) |
|
|
|
||||||
риант |
|
использования |
|
уравне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ния (V.74), которое, во-первых, |
интегрируют в пределах |
измене |
|||||||||||||||||
ния температуры от 298,15 до Т: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
АС |
A G 2 9 8 |
_ |
_ |
|
АН' |
-dT |
= — |
|
298 |
dT = |
|
|
|||||
|
|
|
|
298,15 |
|
|
J |
T2 |
|
T2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
"•' |
|
J |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
298,15 |
|
|
|
298 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
T |
. |
T |
|
ч |
|
|
|
|
|
|
|
- |
J |
298,15 ^ |
d |
T |
- |
|
298,15J -Ц |
298,15j |
AQdTJdT^ |
|
|
|
||||
|
|
AH |
AH298,18 |
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
J |
~ |
|
J |
{Aa-YAbT |
+ |
AcT^Ac'T-^dT; |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
298,15 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
298,15 |
298,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
причем в правой части при интегрировании использованы степенные ряды (11.104). Во-вторых, применяют также равенство
AG298.15 = АЯ298.15 - 298,1 5А5298.15
и получают
Т Т Т
|
|
- |
dT-Ab |
^ |
^ |
7 W - |
|
298,15 |
298,15 |
298,15 |
298,15 |
|
|
Т |
Т |
|
Т |
Т |
|
|
- А с \ ~ |
§ ТЫТ |
Ac' |
\ d~ |
\ Т~ЧТ. |
(V.89) |
|
298,15 |
298,15 |
|
298,15 |
29*8,15 |
|
|
В последнем равенстве коэффициенты Да, АЬ... вынесены за знаки интегралов, а сами интегралы зависят только от верхнего предела интег рирования; их значения были вычислены и сведены в таблицу Темкиным и Шварцманом (см. Приложение 3). Интегралы в (V.89) обозна чают символами Мп, Ми М2,..., М_2, причем индекс у М определяется показателем степени в ряду разложения теплоемкости:
AGT |
= AH:m |
- |
TAS'in - Т |
{АаМ0 + AbMi + АсМ2 +... + Ас'М_2}. (V.90) |
|
Для |
вычислений AGT П О |
этой^ формуле достаточно знать тепловой эф |
|||
фект |
реакции, |
стандартные энтропии веществ при 298,15° К, а также |
|||
коэффициенты |
в выражениях |
для теплоемкостей. Сами вычисления |
|||
значительно |
облегчаются с |
применением таблицы Приложения 3. |
Приведенные выше методы определения изобарных потенциалов можно назвать аналитическими. Однако в настоящее время все больше распространяются методы, связанные с составлением и использова нием таблиц термодинамических свойств при различных температурах. В принципе можно было бы сводить в таблицы непосредственно AG для реакций при различных температурах. Однако реакций очень много и все их свести в таблицы невозможно. Кроме того, AG сильно меняется с температурой, и поэтому чтобы иметь достаточно точные данные для любой температуры, пришлось бы помещать в таблицы значения через малые температурные интервалы.
Удобными для табулирования оказались две близкие термодина мические функции:
Ф = - |
\ |
" |
(V.9I) |
|
и |
G°r |
— Я ! л п |
|
|
ф ' = _ |
(V.92) |
|||
г |
ш . |
|||
Обе функции можно назвать приведенным изобарным |
потенциалом |
|||
вещества, причем Ф — приведенный |
изобарный потенциал на основе |
нулевой энтальпии (Но), а Ф' — приведенный изобарный потенциал на основе # 2 9 8 . т - е - энтальпии при 298,15° К- В гл. V I будет показано, что для газов функцию Ф можно непосредственно рассчитать методами статистической термодинамики, если известны найденные спектроско пически энергетические уровни молекул. Для твердых веществ приве денный изобарный потенциал можно рассчитать, используя третий закон
• — 128 — .
термодинамики, графическими методами или вычисляя один из сле дующих двойных интегралов:
- Ф : G±^=-^dT{^dT |
(V.93) |
О |
о |
т |
т |
|
(V.94) |
о |
о |
Соотношение (V.93) получается при интегрировании дифференциала dG = — SdT (р = const), а выражение (V.94) выводится способом, весьма близким к выводу (V.76). Также следует иметь в виду равенство
•н1 - я : (V.95)
Поскольку первое интегрирование в уравнении (V.93) дает энтропию, по соотношению (V.95) можно определить энтальпию веществ Н\ —
— #о без специального вычисления соответствующего интеграла. Также и при использовании уравнения (V.94) первое интегрирование дает Н°т — #о, и равенство (V.95) позволяет найти и энтропию вещества S°T. В формулах (V.93) — (V.95) символ #о означает стандартную нулевую энтальпию, т. е. отнесенную к абсолютному нулю. Поэтому при вычис лении интегралов (V.93) и (V.94) необходимо использовать функции Ср = f (Т), сохраняющие свое значение до области, близкой к абсолют
ному |
нулю. При асболютном |
нуле из определений, ясно, что |
|
|||||
|
|
|
G0 = H0 — U0 = F0. |
|
|
|
||
Иллюстрируем использование приведенного изобарного потенци |
||||||||
ала Ф на примере фазового |
превращения: |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
(V.96) |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 17 |
|
|
Приведенный |
изобарный |
потенциал Ф для двух |
модификаций |
|
|||
|
|
|
серы, кал/град |
• моль |
|
|
|
|
|
Р о м б и ч е с к ая |
Моноклинная |
|
ДФ (V.96) = |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
ДОг- |
|
т, * к |
н°т - н; |
Sj |
|
"т - и1 |
|
|
AGj—ДЯц |
|
Т |
|
т |
Т |
кал/моль |
||||
|
т |
|
т- |
|
|
|
||
240 |
3,12 |
6,50 |
3,38 |
3,21 |
6,62 |
3,41 |
—0,03 |
+33,3 |
298,15 |
3,53 |
7,62 |
4,09 |
3,65 |
7,82 |
4,17 |
—0,08 |
+16,6 |
350 |
3,83 |
8,51 |
4,68 |
3,97 |
8,74 |
4,77 |
—0,09 |
9,0 |
368,5 |
3,93 |
8,81 |
4,88 |
4,08 |
9,07 |
4,99 |
—0,11 |
0,0 |
380 |
|
— |
|
|
|
|
~*~ |
—3,0 |
В табл. 17 приведены определенные калориметрически значения эн тальпий и энтропии для обеих модификаций серы и вычисленный на их основе приведенный изобарный потенциал при температурах 240,
5 Еремин Е. Н, |
— 129 — |