Химическое сродство

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

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре проходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению H; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.

Энтропия S, так же как внутренняя энергия U, энтальпия Н, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, Н, V обладают аддитивными свойствами, т.е.свойство системы, состоящей из нескольких составных частей, равно сумме свойств составных частей этой системы. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением скорости движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п., - приводят к уменьшению энтропии.

Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изменение (Δ S) зависит только от начального (S(1)) и конечного (S(2)) состояния и не зависит от пути протекания процесса:

ΔS_х.р. = ∑S(прод.) - ∑S(исх.)

Энтропия выражается в Дж/(моль × K).

Движущая сила процесса складывается из действия двух факторов: стремления системы к упорядочению (Н) и стремления её к беспорядку (TS). При P = const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают ΔG, можно найти из соотношения:

ΔG = (H(2) - H(1)) - (TS(2) - TS(1)); ΔG = ΔH - TΔS.

Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса. Итак, мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса (ΔG), которая зависит от природы вещества, его количества и от температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому :

ΔG_х.р = ∑ΔG_обр(прод.) - ∑ΔG_обр(исх.)

Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и, в частности, в сторону уменьшения ΔG. Если ΔG < 0, процесс принципиально осуществим; если ΔG >0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше ΔG, тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором ΔG = 0 и ΔH = TΔS.

Из соотношения ΔG = ΔH - TΔS видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых ΔH > О (эндотермические). Это возможно, когда ΔS> О, но | TΔS | > | ΔH | и тогда ΔG < 0. С другой стороны, экзотермические реакции(ΔH< 0) самопроизвольно не протекают, если при ΔS< 0 окажется, что ΔG > 0.

Пример 1. В каком состоянии энтропия 1 моль вещества больше: в кристаллическом или в парообразном при той же температуре?

Решение. Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядочение и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для газа таких ограничений нет. Объем 1 моль газа гораздо больше, чем объем 1 моль кристаллического вещества; возможность хаотичного движения молекул газа больше. Так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моль паров вещества больше энтропии 1 моль его кристаллов при одинаковой температуре.

Таблица 2