Тема 6 Химическое сродство

При решении задач см. таблицу 2.

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.

Система с одной стороны стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению энтальпии, с другой – к беспорядку (деагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина энтропия (S).

Она отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа и т.п. Процессы, связанные с упорядочением системы: конденсация, кристаллизация, сжигание и т.п. – ведут к уменьшению энтропии.

Энтропия являются функцией состояния, т.е. ее изменение ΔS зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути перехода.

По закону Гесса и следствию из него

ΔS₂₉₈ = Σ νS⁰₂₉₈ (продук.) - Σ νS⁰₂₉₈ (исход)

Т.к. энтропия изменяется с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка ΔS. Энтропия выражается в Дж/моль. Движущая сила процесса складывается из 2 стремлений - к упорядоченности (Н) и стремлению к беспорядку (S).

Движущая сила процесса называется изобарно-изотермическим потенциалом (энергией Гиббса) ΔG

ΔG = ΔН - ТΔS

Мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса (Δ G), которая зависит от природы вещества, его количества, и от температуры. Энергия Гиббса – это функция состояния системы.

ΔGх.р. = Σ νΔG⁰_{298 (обр.)}(прод) - Σ νΔG⁰_298обр(исх)_.

Самопроизвольно идут процессы в сторону уменьшения энергии Гиббса (ΔG<O) т.е. если ΔG<O, то процесс практически осуществим, если ΔG>O, то процесс самопроизвольно протекать не может.

Пример 1 Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе СН₄(г) + СО₂(г) = 2СО(г) + 2 Н₂(г)

Р е ш е н и е: Вычислим ΔG прямой реакции

ΔG₂₉₈ = Σ νΔG⁰_{2988 прод.} - Σ νΔG⁰_298исх

ΔG₂₉₈ = 2х (- 137,27 + 210) – (- 50,79 – 394,38) = + 170,63 кДж

т.к. Δ G₂₉₈ > O – процесс самопроизвольно протекать не может при 298 К, следовательно протекать может обратная реакция.

Пример 2. На основании данных таблицы, вычислите ΔH, ΔS и ΔG реакции, протекающей по уравнению

Fe₂O₃(к) + 3С(графит) = 2 Fe(к) + 3CO (г)

Возможна ли реакция восстановления Fe₂O₃ при температуре 500 и 1000 К.

Р е ш е н и е: ΔНх.р.= [3(-110,52) +2,0] -[-822,10 + 3,0] = - 331,56 – 882,0 = + 490,54 кДж

ΔSх.р. = (2х27,2 + 3х197,91) – (89,96 + 3х5,69) = 541,1 Дж/К

Энергия Гиббса при 500 К

ΔG = 490.54 кДж –500 541,1/1000= + 219,99 к Дж, ΔG > O - процесс не возможен.

Энергия Гиббса при 1000 К

ΔG = 490,54 - 1000 х541,1/1000= - 50,56 кДж, ΔG < O - процесс возможен

Пример 3. Восстановление Fe₂O₃ водородом протекает по уравнению

Fe₂O₃(к) + 3H₂(г) = 2Fe(к) + 3Н₂О(г); ΔН^о = +96,61 кДж.

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии ΔS^o =+0,1387 кДж/моль-град? При какой температуре начнется восстановление оксида железа(III)?

Решение. Вычисляем изменение энергии Гиббса реакции:

ΔG^o = ΔH^o – TΔS^o = +96,61 - 298· 0,1387 = +55,28 кДж.

Так как ΔG° > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия). Найдем температуру, при которой ΔG° = 0:

Следовательно, при температуре ≈696,5К начнется реакция восстановления Fe₂O₃. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.