Эмиссия газов от очистных сооружений канализации: В последние годы внимание мирового сообщества сосредоточено на экологических проблемах...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Топ:
Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности...
Техника безопасности при работе на пароконвектомате: К обслуживанию пароконвектомата допускаются лица, прошедшие технический минимум по эксплуатации оборудования...
Устройство и оснащение процедурного кабинета: Решающая роль в обеспечении правильного лечения пациентов отводится процедурной медсестре...
Интересное:
Средства для ингаляционного наркоза: Наркоз наступает в результате вдыхания (ингаляции) средств, которое осуществляют или с помощью маски...
Уполаживание и террасирование склонов: Если глубина оврага более 5 м необходимо устройство берм. Варианты использования оврагов для градостроительных целей...
Искусственное повышение поверхности территории: Варианты искусственного повышения поверхности территории необходимо выбирать на основе анализа следующих характеристик защищаемой территории...
Дисциплины:
2017-10-16 | 686 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Химических реакций
Если равенство энтальпийного и энтропийного факторов процесса, протекающего в изобарно – изотермических условиях, свидетельствует о равновесном состоянии системы (при p = const и T = const), то разность между ними
∆ H - T ∆ S = ∆ G
является критерием направления и предела самопроизвольного протекания изобарно – изотермического процесса. Термодинамическая функция состояния системы G = H - T S называется энергией Гиббса, а ∆ G – изменением энергий Гиббса химической реакции.
Энергия Гиббса химической реакции является изменением термодинамической функции состояния системы, не зависит от пути перехода, а определяется начальным и конечным состоянием системы:
∆ G = G2 – G1,
где G1 и G2 – энергия Гиббса системы в состоянии 1 и 2 соответственно.
При расчете энергии Гиббса химической реакции следует иметь в виду, что
где - стандартная энергия Гиббса химической реакции, и - стандартные энергии Гиббса образования продуктов реакции и исходных веществ.
Стандартной энергией Гиббса образования химического соединения называют энергию Гиббса реакции образования одного моля этого соединения, находящегося в стандартном состоянии, из соответствующих простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях и термодинамики устойчивых при данной температуре, фазах и модификациях.
Стандартные энергии Гиббса образования простых веществ принимают равными нулю, если их агрегатные состояния и модификации устойчивы при стандартных условиях.
В изобарно – изотермических условиях реакция протекает самопроизвольно в том направлении, которому отвечает убыль энергии Гиббса системы (G2 < G1). Поэтому условием самопроизвольного течения реакции при заданных p и T является неравенство ∆ Gp, T < 0.
|
Увеличение изобарного потенциала ∆ G > 0 свидетельствует о невозможности осуществления процесса в данных условиях. Если же ∆ G = 0, то система находится в состоянии равновесия.
Пример. Определить, возможен ли процесс при стандартных условиях
CuO (т.) + CO (г.) = Cu (т.) + CO (г.)
= -127 кДж/моль; = -137, 14 кДж/моль;
= -394, 38 кДж/моль;
- ( + )
-394, 38 – (- 127 – 137, 14) = -130, 24 кДж
< 0, следовательно, данная реакция протекает самопро-
извольно и необратимо в стандартных условиях.
Факторы, определяющие возможность процесса. Величина стандартной энергии Гиббса химической реакции ∆ G0 не может быть критерием направления или предела самопроизвольного протекания процесса в условиях, отличных от стандартных. Это затрудняет использование энергии Гиббса для оценки процессов, протекающих в реальных условиях. И только для получения сугубо ориентированных данных можно считать, что
Направление химических реакций зависит от их характера. Так, для экзотермических реакций (∆ H < 0), у которых в процессе их протекания возрастает число газообразных веществ (∆ S > 0) ∆ G < 0 при любых температурах. Такие реакции протекают самопроизвольно и являются необратимыми. Примером является реакция разложения перекиси водорода:
2H2O2 (г.) → 2H2O (г.) + O2 (г.)
∆H = -211 кДж, ∆S = 129,6 Дж/К; ∆G = - 250 кДж.
Эндотермические реакции (∆ H > 0), в результате которых уменьшается число молей газообразных веществ (∆ S < 0), самопроизвольно в прямом направлении протекать не могут, поскольку для таких реакций ∆ G > 0 при любых температурах. Примером такой реакции является окисление азота.
N2 (г) + 2O2 (г) = 2NO2 (n)
67,7 кДж; - 120 Дж/К; = 103,7 кДж.
Направление химических реакций зависит не только от энтальпийного и энтропийного факторов, но и от температуры. Если в результате экзотермической реакции (∆ H < 0) уменьшается число молей газообразных веществ (∆ S < 0), то самопроизвольно они могут протекать при низких температурах. Примером такой реакции является синтез аммиака:
|
3H2 (г) + N2 (г.) = 2NH3 (г.)
- 92 кДж; - 198 Дж/К; = - 33,4 кДж.
В стандартных условиях (T = 298 К) эта реакция возможна, однако при T > 298 К реакция в прямом направлении становится невозможной. (∆ G > 0).
Для определения температуры, ниже которой ∆ G < 0, необходимо определить температуру равновесного состояния Tp ., когда ∆ G = ∆ H - ∆ S∙ Tp.= 0, откуда Tp = .
Если в результате эндотермической реакции (∆ H > 0) увеличивается число молей газообразных веществ (∆ S > 0), то при невысоких температурах, когда │∆ H│ > │T ∆ S│, самопроизвольно прямая реакция протекать не может (∆ G > 0). В прямом направлении реакции будет протекать при условии, если T > Tp, когда │∆ H│ < │T ∆ S│ и ∆ G < 0. Например, эта реакция получения водорода при взаимодействии метана и водяного пара:
CH4 (г) + 2H2O (г) = CO2 (г) + 4H2 (г)
164,9 кДж; 172,41 Дж/моль∙К;
= 110,3 кДж.
Как видно в стандартных условиях эта реакция самопроизвольно в прямом направлении идти не может (∆ G > 0). Однако при температуре выше T p = 962 К реакция становится возможной, поскольку ∆ G < 0.
Глава 6. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ.
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Как было показано ранее, химическая термодинамика позволяет установить принципиальную возможность или невозможность самопроизвольного течения химических реакций, а
также рассчитать равновесные концентрации реагирующих веществ. Однако, знание рассмотренных закономерностей еще недостаточно, чтобы предсказать реальную возможность протекания химической реакции, определить скорость реакции и ее механизм, а также управлять процессом. Быстрота реакции зачастую не связана со значением ее энергии Гиббса. Например, термодинамическая вероятность реакции окисления водорода до воды
Н2 + 1/2 O2 = Н2O (ж), ∆ G = - 237,2 кДж/моль
значительно выше, чем вероятность реакции нейтрализации с образованием воды
H+ + ОН- = Н2O (ж), ∆ G = - 79,9 кДж/моль.
В то же время первая реакция в обычных условиях без катализатора практически не идет, а вторая реакция протекает практически мгновенно. Скорость и механизм химических реакций изучает химическая кинетика.
Общие понятия. Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. В зависимости от типа химической реакции (гомогенная пи гетерогенная) меняется характер реакционного пространства.
|
Гомогенной реакцией называется реакция, протекающая в однородной среде (в одной фазе). Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, например твердой и жидкой, твердой и газообразной.
Реакционным пространством гомогенных реакций является объем, заполненный реагентами. Так как отношение количества вещества к единице объема называется концентрацией с, то скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации исходных веществ или продуктов реакции во времени. Различают среднюю и мгновенную скорости реакции. Средняя скорость реакции равна:
v = (c2 - c1) / (t2 - tl) = -∆ c / ∆ t,
где c2 и c1 - концентрации исходного вещества в момент времени t2 и t1 .
Знак минус означает, что концентрация исходного вещества уменьшается. В ходе реакции изменяются концентрации реагирующих веществ и соответственно скорость реакции. Скорость реакции в данный момент времени или, мгновенная (истинная) скорость реакции v, равна:
v = ± dc / dt.
Скорость реакции принимается всегда положительной, поэтому, производная исходных концентраций берется со знаком минус, а продуктов реакции - со знаком плюс.
Из определения скорости реакции и анализа уравнения следует, что скорость реакции в СИ имеет единицу измерения [моль∙м-3∙с-1], однако также используются и другие единицы измерения [моль∙л-1∙с-1], [моль∙см-3∙с-1], [моль∙см-3∙мин-1].
В ходе реакции изменяются концентрации всех исходных веществ и продуктов реакции. Если у всех реагентов одинаковые стехиометрические коэффициенты, то изменения их концентраций (по модулю) во времени также одинаковы. Например, для реакции
СО + Н2O (г) = CO2 + Н2
Для реакций с различными стехиометрическими коэффициентами скорости изменения концентраций реагентов будут разными. Для реакции
bВ + dD—> lL + mМ
Например, для реакции
CH4 + 2Н2O (г) = СO2 + 4Н2
Как видно, концентрация H2O изменяется в 2 раза, а концентрация Н2 - в 4 раза быстрее, чем концентрации СН4 и СO2. Это и понятно, так как в ходе реакции на 1 моль СН4 расходуются 2 моль Н2O и образуются 1 моль СO2 и 4 моль Н2. Поэтому в уравнении скорости реакции указывают конкретный реагент (продукт реакции или исходное вещество).
|
Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ. Некоторые реакции, например взрывы, протекают мгновенно, другие могут идти годами. На скорость реакции влияют многие факторы: концентрация реагентов, температура, катализаторы, внешние воздействия, например излучения, пластическая деформация.
|
|
Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!