• Поглощение и выделение энергии при химических превращениях


    Превращение энергии при химических реакциях — Знаешь как

    Содержание статьи


    Многие химические реакции, как, например, горение, соединение метал­лов с серой или хлором, нейтрализация кислот щелочами и др., сопровождаются выделением значительных количеств тепла.

    Та­кие реакции, как разложение углекислого кальция, разложение окиси ртути и ряд других, наоборот, требуют непрерывного при­тока тепла извне и тотчас же приостанавливаются, если прекратить нагревание.

    Очевидно, в этих случаях превращение проис­ходит с поглощением тепла. При некоторых реакциях наряду с выделением тепла наблюдается также выделение света.

    Тщательное изучение всевозможных химических процессов показало, что химическое превращение всегда связано с выде­лением или поглощением энергии. Эти явления составляют су­щественную особенность химических превращений; для практики они часто даже важнее, чем происходящее в то же время образование новых веществ. Поэтому мы рассмотрим выделение и поглощение энергии при химических реакциях несколько по­дробнее.

    Выделение энергии в форме тепла при соединении различных веществ показывает, что эти вещества до соединения уже содер­жали в себе некоторый запас энергии, но только в скрытой форме. Такая форма энергии, скрытой в веществах и «освобо­ждающейся» только при химических превращениях, называется внутренней или химической энергией.

    Образование энергии при соединении водорода с кислородом

    Рис. 2. Установка для демонстрации превращения химической энергии в электри ческую

    Освобождение химической энергии связано с превращением ее в другие формы энергии. Так, например, когда водород соеди­няется с кислородом, их химическая энергия превращается в тепловую и проявляется в виде выделяющегося при реакции тепла. Понятно, что в образовавшейся воде уже нет того количе­ства энергии, которое содержали водород и кислород вместе до их соединения. Но это отнюдь не значит, что в воде совсем не осталось химической энергии.

    Вода, в свою очередь, может взаи­модействовать с другими веществами с выделением тепла; следовательно, в ней еще имеется запас химической энергии. Вообще при химических превращениях освобождается только часть со­держащейся в веществах энергии; всей химической энергии мы не можем исчерпать и не знаем, как велик ее запас в различных веществах. Измеряя тепловой эффект реакции, мы можем судить только об изменении этого запаса.

    Выделением тепла сопровождаются очень многие химические реакции, так как легче всего химическая энергия переходит в тепловую. Значительно реже приходится наблюдать переход хи­мической энергии в световую. Обыкновенно в тех случаях, когда при реакции выделяется свет, химическая энергия превращается в световую не прямо, а через посредство тепловой энергии. На­пример, появление света при горении угля является следствием сильного накаливания угля за счет выделяющегося при реакции тепла.

    Такой же эффект можно получить, если нагреть уголь до высокой температуры чисто физическим путем, например, пропуская ток через угольную нить элек­трической лампочки. Но известны и такие, правда, очень немногочисленные процессы, где химическая энергия превращается в световую непосредствен­но. Сюда относится све­чение фосфора на возду­хе, свечение гнилого де­рева и т. п. Во всех  этих случаях выделение света происходит без сколько-нибудь заметного повышения температуры.

    Переход химической энергии в электрическую

    Рис. 3. Установка для демонстрации пре­вращения химической энергии в механи­ческую. 1— склянка с цинком и серной кислотой; 2 — склянка с водой; 3 — колесико с лопастями

    Химическая энергия может также превращаться в электри­ческую. Чтобы показать это на опыте, погрузим две пла­стинки— платиновую и цинковую — в стакан с разбавленной серной кислотой и соединим концы их проволоками с гальванометром (рис. 2). Стрелка гальванометра тотчас же отклоняется, указывая на появление электрического тока. В то же время из жидкости выделяются пу­зырьки водорода, а цинк и серная кислота посте­пенно расходуются. Сле­дует заметить, что хими­ческому превращению подвергаются только цинк и серная кислота, плати­на же остается неизме­ненной и служит лишь проводником электриче­ского тока.

    Таким образом, в этих условиях химическая энергия цинка и серной кислоты переходит в электрическую энергию. Изменяя условия, можно осуществить переход химической энергии в ме­ханическую. Это легко продемонстрировать при помощи уста­новки, изображенной на рис. 3. В склянку  налита серная кислота и помещено несколько кусочков цинка.

    Рис. 7. Установка для демонстрации пре­вращения химической энергии в механи­ческую. 1— склянка с цинком и серной кислотой; 2 — склянка с водой; 3 — колесико с лопастями

    Выделяющийся при взаимодействии цинка с серной кислотой водород давит на воду, налитую в склянку 2, и заставляет ее подниматься по трубке вверх. Химическая энергия цинка и серной кислоты превращается здесь в объемную энергию сжатого газа, а последняя — в потен­циальную энергию поднятой воды; если под конец трубки под­ставить колесико с лопастями, то вытекающая из трубки вода будет приводить колесико в движение, совершая некоторую ра­боту.

    При разложении взрывчатых веществ химическая энергия тоже превращается в механическую — частью непосредственно, частью переходя сперва в тепловую энергию.

    Итак, освобождающаяся при химических превращениях хи­мическая энергия может переходить в тепловую, световую, элек­трическую и механическую энергию. Но и обратно, все эти формы энергии могут превращаться в химическую. Чаще всего происхо­дит превращение тепловой энергии в химическую. Как известно, разложение многих веществ требует непрерывного нагревания.

    Сообщаемое тепло поглощается при реакции и превращается в химическую энергию продуктов разложения. Поэтому, напри­мер, ртуть и кислород, полученные путем разложения окиси ртути, содержат в сумме больше химической энергии, чем окись ртути, из которой они образовались.

    Известны также и реакции соединения, сопровождающиеся поглощением тепла. Например, получение азотной кислоты из воздуха основано на том, что при высокой температуре азот со­единяется с кислородом, поглощая тепло и образуя окись азота NО, которая затем может быть превращена в азотную кислоту. В данном случае сложное вещество — окись азота обладает большим запасом энергии, чем простые вещества — азот и кисло­род, из которых она образовалась.

    Превращение электрической энергии в химическую

    Превращение электрической энергии в химическую происхо­дит при разложении веществ с помощью электрического тока. Примером такого превращения может служить разложение воды электрическим током. Подобным же путем в настоящее время получают многие металлы из их соединений, а также различные химические продукты: бертолетову соль, хлор, каустическую соду и др.

    Очень важную роль в природе играет превращение световой энергии в химическую, сопровождающее процесс усвоения угле­кислого газа воздуха зелеными растениями. Этот процесс, под­держивающий всю органическую жизнь на земле, требует непре­рывного притока энергии извне. Такой энергией является энергия солнечных лучей, которая поглощается растениями и превра­щается в скрытую химическую энергию образующихся в расте­ниях веществ.

    Разложение некоторых веществ на свету также сопрово­ждается поглощением световой энергии и ее превращением в хи­мическую. Так, например, хлористое или бромистое серебро мо­жет неограниченно долго сохраняться в темноте, но при дей­ствии света постепенно распадается на свои составные части, причем серебро выделяется в виде мельчайших черных крупи­нок. На этом основано применение хлористого и бромистого серебра в фотографии.

    Так как выделение или поглощение энергии при химических реакциях чаще всего происходит в форме тепла, то все реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотерми­ческими. Реакции же, при которых, энергия поглощается, получили название эндотермических. В соответствии с этим и химические соединения, образовавшиеся из простых веществ с выделением энергии, называются экзотермиче­скими в отличие отэндотермических соединений, при образовании которых энергия поглощается.

    Эндотермических соединений гораздо меньше, чем экзотермических; они содер­жат по сравнению с экзотермическими соединениями значи­тельно больший запас энергии и сравнительно легко разла­гаются. Tо более или менее неустойчивы. Экзотермические соединения обычно образуются при низких или умеренных тем­пературах, более устойчивы и гораздо труднее разлагаются, чем эндотермические соединения.

    Из закона сохранения энергии непосредственно вытекает следующее положение:

    Если при образовании какого-либо химического соединения из простых веществ выделяется (или поглощается) некоторое количество тепла, то при разложении этого соединения на про­стые вещества такое же количество тепла поглощается (или вы­деляется) .

    В самом деле, если бы при образовании сложного вещества выделялось больше тепла, чем его затрачивается на разложение того же вещества, то, заставив сперва простые вещества со­единиться, а затем, разложив образовавшееся соединение, мы получили бы некоторый излишек тепла из ничего, а этого по закону сохранения энергии не может быть. Отсюда понятно, что чем больше тепла выделяется при образовании химического соединения, тем больше энергии надо затратить на его разло­жение. Поэтому экзотермические соединения более прочны и труднее разлагаются, чем эндотермические.

    Статья на тему Превращение энергии при химических реакциях

    Общая химия / изменения энергии в химических реакциях

    Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

    Перейти к навигации Перейти к поиску
    Найдите Общая химия / изменения энергии в химических реакциях в одном из родственных проектов Викиучебника: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

    Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

    • Если страница была создана здесь недавно, она может еще не отображаться из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
    • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , за исключением первого символа; пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления здесь к правильному заголовку.
    • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
    .

    4 Химические и физические превращения | За пределами молекулярных границ: проблемы химии и химической инженерии

    мер, суспензий, композитов), подтвержденные частично механическими измерениями отдельных молекул, будут иметь решающее значение для роста в этой области.

    ВЫЗОВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ НА БУДУЩЕЕ

    Как мы можем получить прямую информацию о молекулярных деталях пути реакции и использовать ее для разработки новых процессов? В то время как фемтосекундная спектроскопия позволила наблюдать за реакциями в коротком временном масштабе, основной задачей является разработка сверхбыстрых методов, таких как сверхбыстрая дифракция электронов, которые позволят наблюдать фактическую молекулярную структуру переходного состояния, а не только скорость его изменения. проход.В качестве общей цели мы хотим иметь возможность создавать движущиеся картинки самих реакций, наблюдая за всеми промежуточными состояниями и скоростью их взаимного преобразования. Такие движущиеся картинки могут быть созданы уже сейчас, путем компьютерного моделирования реакции; проблема в том, чтобы определить, верны ли эти изображения. Таким образом, вторая задача состоит в том, чтобы взаимодействовать с теоретической химией для получения наилучших возможных расчетов, а затем разработать экспериментальную проверку основных теоретических предсказаний, чтобы увидеть, подтверждают ли эксперименты правильность расчетов.

    Большинство механистических работ посвящено химическим реакциям в растворе или чрезвычайно простым процессам в газовой фазе. Возрастает интерес к реакциям в твердых телах или на твердых поверхностях, таких как поверхности твердых катализаторов в контакте с реагирующими газами. Некоторые из таких катализаторов действуют внутри пор определенного размера, например, в порах цеолитов. В этих случаях только определенные молекулы могут проникать в поры, чтобы добраться до реакционной поверхности, и они удерживаются в определенных положениях, когда реагируют.Фактически, процесс превращения метанола в бензин Mobil зависит от реакций, катализируемых цеолитами.

    Также возрастает интерес к реакциям с участием металлоорганических соединений на границе между органической и неорганической химией. Многие такие реакции полезны в синтезе, где металлоорганические реагенты могут иметь важные свойства в качестве катализаторов. Многие детали механизмов реакций в металлоорганической химии пока неясны; понимание этих механизмов позволит разработать улучшенные катализаторы.

    Была проделана большая работа, чтобы помочь понять, как ионы металлов реагируют или катализируют реакции в растворе. Многие ферменты также используют связанные ионы металлов для катализирования своих реакций, и все еще необходимо понимать, как они работают. Когда мы действительно поймем их подробно, мы сможем производить биомиметические катализаторы для полезных производственных процессов.

    Когда молекулы реагируют термически, при комнатной температуре или при нагревании, они находятся в своем низшем электронном состоянии. Однако, когда реакции происходят при облучении молекул видимым или ультрафиолетовым светом, в процессах участвуют частицы, находящиеся в электронных возбужденных состояниях.Некоторые детали таких процессов известны, но многое еще предстоит сделать. Поскольку фотовозбуждение важно во многих областях - фотосинтезе, фотографии, электронных дисплеях, солнечных элементах, вызывающей рак ul-

    .

    изменений энергии в химических реакциях | Глава 6: Химические изменения

    >

    Ключевые понятия

    • Если два вещества вступают в реакцию и температура смеси понижается, реакция эндотермическая.
    • Если два вещества вступают в реакцию и температура смеси увеличивается, реакция экзотермическая.
    • Химическая реакция включает разрыв связей в реагентах и ​​образование связей в продуктах.
    • Чтобы разорвать оковы, нужна энергия.
    • Энергия высвобождается при образовании связей.
    • Если реакция эндотермическая, для разрыва связей реагентов требуется больше энергии, чем выделяется при образовании связей продуктов.
    • Если реакция экзотермическая, при образовании связей продуктов выделяется больше энергии, чем требуется для разрыва связей реагентов.

    Сводка

    Студенты проведут две химические реакции.В первом случае температура будет понижаться (эндотермическая), а во втором - повышаться (экзотермическая). Учащиеся увидят анимационный ролик, в котором рассматривается концепция, представленная в главе 5, - что для разрыва связей требуется энергия и эта энергия высвобождается при образовании новых связей. Студенты будут использовать эту идею, чтобы объяснить, почему реакция является эндотермической или экзотермической.

    Цель

    Студенты смогут определять эндотермическую и экзотермическую реакцию. Учащиеся смогут использовать понятие энергии при разрыве и образовании связей, чтобы объяснить, почему одна реакция может быть эндотермической, а другая - экзотермической.

    Оценка

    Загрузите лист активности учащегося и раздайте по одному учащемуся, если это указано в упражнении. Лист упражнений будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.

    Безопасность

    Убедитесь, что вы и ученики носите правильно подогнанные очки.

    материалов для каждой группы

    • Уксус
    • Сода пищевая
    • Хлорид кальция
    • Вода
    • Термометр
    • 4 маленьких чашки
    • Одноразовый самонагреватель для рук
    • Самонадувающийся баллон

    Дополнительные материалы, если вы выберете дополнительное расширение

    • Сульфат магния
    • Карбонат натрия
    • Лимонная кислота
    • Универсальный индикатор

    О материалах

    Хлорид кальция можно приобрести у Sargent Welch, продукт № WLC94075-06, или у Flinn Scientific, продукт № C0016, или у других поставщиков.Хлорид кальция также доступен в хозяйственных магазинах для поглощения влаги и таяния льда зимой.

    Грелки для рук можно приобрести в Flinn Scientific, каталог № AP1931, а также в магазинах товаров для кемпинга, спортивных товаров или уцененных товаров. Ищите грелки для рук, которые являются одноразовыми и запечатаны в упаковке и будут нагреваться только при открытии упаковки. Самонадувающиеся майларовые воздушные шары можно приобрести в Joissu, товарный номер № 43-712, или в компании «Образовательные инновации», товар № AS-800.

    .

    18.8: Изменения энергии Гиббса в химических реакциях

    Одна из основных целей химической термодинамики - установить критерии для предсказания того, будет ли конкретная реакция или процесс происходить спонтанно. Мы разработали один такой критерий, изменение энтропии Вселенной: если ΔS univ > 0 для процесса или реакции, то процесс будет происходить спонтанно, как написано. И наоборот, если ΔS univ <0, процесс не может происходить спонтанно; если ΔS univ = 0, система находится в равновесии.Знак ΔS univ - универсальный и безошибочный индикатор спонтанности реакции. К сожалению, использование ΔS univ требует, чтобы мы вычисляли ΔS как для системы, так и для ее окружения. Это не особенно полезно по двум причинам: обычно мы гораздо больше интересуемся системой, чем окружающей средой, и трудно проводить количественные измерения окружающей среды (то есть остальной Вселенной). Критерий спонтанности, основанный исключительно на функциях состояния системы, был бы гораздо более удобен и обеспечен новой функцией состояния: свободной энергией Гиббса.

    Свободная энергия Гиббса и направление спонтанных реакций

    Свободная энергия Гиббса (\ (G \)), часто называемая просто свободной энергией, была названа в честь Дж. Уилларда Гиббса (1838–1903), американского физика, который первым разработал эту концепцию. Он определяется в терминах трех других функций состояния, с которыми вы уже знакомы: энтальпии, температуры и энтропии:

    \ [G = H - TS \ label {Eq1} \]

    Поскольку это комбинация функций состояния, \ (G \) также является функцией состояния.

    Дж. Уиллард Гиббс (1839–1903)

    Джозия Уиллард Гиббс родился в Коннектикуте и учился в Йельском университете, как и его отец, профессор священной литературы в Йельском университете, который участвовал в процессе над Амистадом. В 1863 году Гиббсу была присуждена первая в США степень доктора технических наук. Он был назначен профессором математической физики в Йельском университете в 1871 году, став первым таким профессором в Соединенных Штатах. Его серия статей под названием «О равновесии гетерогенных веществ» явилась основой области физической химии и считается одним из величайших достижений XIX века.Гиббс, чьи работы были переведены на французский Ле Шателье, жил со своей сестрой и зятем до своей смерти в 1903 году, незадолго до открытия Нобелевской премии.

    Критерий предсказания спонтанности основан на (\ (ΔG \)), изменении \ (G \) при постоянных температуре и давлении. Хотя на самом деле очень мало химических реакций происходит в условиях постоянной температуры и давления, в большинстве систем можно вернуть исходную температуру и давление без значительного влияния на значение функций термодинамического состояния, таких как \ (G \).При постоянной температуре и давлении

    \ [ΔG = ΔH - TΔS \ label {Eq2} \]

    , где все термодинамические величины являются характеристиками системы. Напомним, что при постоянном давлении \ (ΔH = q \) независимо от того, является ли процесс обратимым или необратимым, и TΔS = q об. . Используя эти выражения, мы можем уменьшить уравнение \ (\ ref {Eq2} \) до \ (ΔG = q - q_ {rev} \). Таким образом, ΔG - это разница между теплотой, выделяющейся во время процесса (через обратимый или необратимый путь), и теплом, выделяемым для того же процесса, протекающего обратимым образом.При особом условии, когда процесс происходит обратимо, q = q об. и ΔG = 0. Как мы вскоре увидим, если \ (ΔG \) равно нулю, система находится в равновесии, и чистых изменений не будет. .

    А как насчет процессов, для которых ΔG ≠ 0? Чтобы понять, как знак ΔG для системы определяет направление, в котором изменение является спонтанным, мы можем переписать взаимосвязь между \ (\ Delta S \) и \ (q_ {rev} \), обсуждавшуюся ранее.

    \ [\ Delta S = \ dfrac {q_ {rev}} {T} \]

    с определением \ (\ Delta H \) в терминах \ (q_ {rev} \)

    \ [q_ {rev} = ΔH \]

    для получения

    \ [\ Delta S _ {\ textrm {surr}} = - \ dfrac {\ Delta H _ {\ textrm {sys}}} {T} \ label {Eq3} \]

    Таким образом, изменение энтропии окружающей среды связано с изменением энтальпии системы.Мы заявили, что для спонтанной реакции \ (ΔS_ {univ}> 0 \), поэтому, подставляя, получаем

    \ [\ begin {align} \ Delta S _ {\ textrm {univ}} & = \ Delta S _ {\ textrm {sys}} + \ Delta S _ {\ textrm {surr}}> 0 \\ [4pt] & = \ Delta S _ {\ textrm {sys}} - \ dfrac {\ Delta H _ {\ textrm {sys}}} {T}> 0 \ end {align} \]

    Умножение обеих частей неравенства на −T меняет знак неравенства; перестановка,

    \ [ΔH_ {sys} -TΔS_ {sys} <0 \]

    , что равно \ (ΔG \) (Equation \ (\ ref {Eq2} \)).Таким образом, мы видим, что для спонтанного процесса \ (ΔG <0 \).

    Связь между изменением энтропии окружающей среды и теплом, полученным или потерянным системой, обеспечивает ключевую связь между термодинамическими свойствами системы и изменением энтропии Вселенной. Связь, показанная в уравнении \ (\ ref {Eq2} \), позволяет нам предсказать спонтанность, сосредоточившись исключительно на термодинамических свойствах и температуре системы. Мы прогнозируем, что сильно экзотермические процессы (\ (ΔH \ ll 0 \)), которые увеличивают беспорядок в системе (\ (ΔS_ {sys} \ gg 0 \)), поэтому будут происходить спонтанно.Примером такого процесса является разложение удобрения из нитрата аммония. Нитрат аммония также использовался для разрушения федерального здания Мурра в Оклахома-Сити, штат Оклахома, в 1995 году. Для системы с постоянной температурой и давлением мы можем обобщить следующие результаты:

    • Если \ (ΔG <0 \), процесс происходит самопроизвольно.
    • Если \ (ΔG = 0 \), система находится в равновесии.
    • Если \ (ΔG> 0 \), процесс не является спонтанным, как написано, а происходит спонтанно в обратном направлении.

    Чтобы лучше понять, как различные компоненты ΔG определяют, происходит ли процесс самопроизвольно, мы теперь рассмотрим простое и знакомое физическое изменение: преобразование жидкой воды в водяной пар. Если этот процесс проводится при 1 атм и нормальной температуре кипения 100,00 ° C (373,15 K), мы можем рассчитать ΔG из экспериментально измеренного значения ΔH vap (40,657 кДж / моль). Для испарения 1 моля воды \ (ΔH = 40,657; Дж \), поэтому процесс сильно эндотермический.\ circ \ textrm C} \\ [4pt] & = \ textrm {40 657 Дж} - [(\ textrm {373,15 K}) (\ textrm {108,96 J / K})] \\ [4pt] & = \ textrm { 0 J} \ end {align *} \]

    Энергия, необходимая для испарения, компенсирует увеличение беспорядка в системе. Таким образом, ΔG = 0, и жидкость и пар находятся в равновесии, как и любая жидкость при ее температуре кипения при стандартных условиях.

    Теперь предположим, что мы должны были перегреть 1 моль жидкой воды до 110 ° C. Значение ΔG для испарения 1 моля воды при 110 ° C, предполагая, что ΔH и ΔS не изменяются существенно с температурой, становится равным

    .

    \ [\ begin {align *} \ Delta G_ {110 ^ \ circ \ textrm C} & = \ Delta H-T \ Delta S \\ [4pt] & = \ textrm {40,657 J} - [(\ textrm {383.\ circ \ textrm C} & = \ Delta HT \ Delta S \\ [4pt] & = \ textrm {40 657 J} - [(\ textrm {363,15 K}) (\ textrm {108,96 J / K})] \\ [4pt] & = \ textrm {1088 J} \ end {align *} \]

    При 90 ° C ΔG> 0 и вода не превращается самопроизвольно в водяной пар. При использовании всех цифр на дисплее калькулятора при выполнении наших расчетов ΔG 110 ° C = 1090 Дж = −ΔG 90 ° C , как мы и предполагали.

    Связь энтальпии и изменений энтропии в условиях равновесия

    \ (ΔG = 0 \), только если \ (ΔH = TΔS \).

    Мы также можем вычислить температуру, при которой жидкая вода находится в равновесии с водяным паром. Вставка значений ΔH и ΔS в определение ΔG (уравнение \ (\ ref {Eq2} \)), установка \ (ΔG = 0 \) и решение для \ (T \),

    0 Дж = 40 657 Дж-Т (108,96 Дж / К)

    Т = 373,15 К

    Таким образом, \ (ΔG = 0 \) при Т = 373,15 К и 1 атм, что указывает на то, что жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии; эта температура называется нормальной температурой кипения воды. При температуре выше 373.15 К, \ (ΔG \) отрицательно, и вода испаряется самопроизвольно и необратимо. Ниже 373,15 К \ (ΔG \) положительна, и вода не испаряется самопроизвольно. Вместо этого водяной пар при температуре ниже 373,15 К и давлении 1 атм самопроизвольно и необратимо конденсируется в жидкую воду. На рисунке \ (\ PageIndex {1} \) показано, как члены \ (ΔH \) и \ (TΔS \) меняются в зависимости от температуры испарения воды. Когда две прямые пересекаются, \ (ΔG = 0 \) и \ (ΔH = TΔS \).

    Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Температурная зависимость ΔH и TΔS для испарения воды.И ΔH, и TΔS зависят от температуры, но линии имеют противоположный наклон и пересекаются при 373,15 K при 1 атм, где ΔH = TΔS. Поскольку ΔG = ΔH - TΔS, при этой температуре ΔG = 0, что указывает на то, что жидкая и паровая фазы находятся в равновесии. Таким образом, нормальная точка кипения воды составляет 373,15 К. Выше нормальной точки кипения член TΔS больше, чем ΔH, что делает ΔG <0; следовательно, жидкая вода самопроизвольно испаряется. Ниже нормальной точки кипения член ΔH больше, чем TΔS, поэтому ΔG> 0.Таким образом, жидкая вода не испаряется самопроизвольно, а водяной пар самопроизвольно конденсируется в жидкость.

    Аналогичная ситуация возникает при превращении жидкого яичного белка в твердый при варке яйца. Основным компонентом яичного белка является белок, называемый альбумином, который удерживается в компактной упорядоченной структуре большим количеством водородных связей. Их разрушение требует ввода энергии (ΔH> 0), которая превращает альбумин в сильно разупорядоченную структуру, в которой молекулы объединяются в неорганизованное твердое тело (ΔS> 0).При температурах выше 373 K член TΔS преобладает, и ΔG <0, поэтому преобразование сырого яйца в сваренное вкрутую является необратимым и спонтанным процессом при температуре выше 373 K.

    Связь между ΔG и работой

    В предыдущем подразделе мы узнали, что значение ΔG позволяет нам предсказать спонтанность физических или химических изменений. Кроме того, величина ΔG для процесса дает другую важную информацию. Изменение свободной энергии (ΔG) равно максимальному количеству работы, которую система может выполнять с окружающей средой при самопроизвольном изменении (при постоянной температуре и давлении): ΔG = w max .Чтобы понять, почему это так, давайте еще раз посмотрим на отношения между свободной энергией, энтальпией и энтропией, выраженные в уравнении \ (\ ref {Eq2} \). Мы можем переписать это уравнение следующим образом:

    \ [ΔH = ΔG + TΔS \ label {Eq4} \]

    Это уравнение говорит нам, что когда энергия выделяется во время экзотермического процесса (ΔH <0), например, при сгорании топлива, часть этой энергии может использоваться для выполнения работы (ΔG <0), а часть используется для увеличивают энтропию Вселенной (TΔS> 0).Энтропия Вселенной останется неизменной только в том случае, если процесс будет происходить бесконечно медленно и совершенно обратимо. (Дополнительные сведения об энтропии и обратимости см. В предыдущем разделе). Поскольку никакая реальная система не является полностью обратимой, энтропия Вселенной увеличивается во время всех процессов, производящих энергию. В результате ни один процесс, использующий накопленную энергию, никогда не может быть эффективен на 100%; то есть ΔH никогда не будет равняться ΔG, потому что ΔS имеет положительное значение.

    Одна из основных задач, стоящих перед инженерами, - это максимизация эффективности преобразования накопленной энергии в полезную работу или преобразования одной формы энергии в другую.Как указано в таблице \ (\ PageIndex {1} \), эффективность различных устройств преобразования энергии сильно различается. Например, двигатель внутреннего сгорания обычно использует только 25–30% энергии, запасенной в углеводородном топливе, для выполнения работы; остальная часть накопленной энергии выделяется в непригодной для использования форме в виде тепла. Напротив, газоэлектрические гибридные двигатели, которые сейчас используются в нескольких моделях автомобилей, обеспечивают примерно на 50% большую топливную эффективность. Большой электрический генератор очень эффективен (примерно 99%) в преобразовании механической энергии в электрическую, но обычная лампа накаливания является одним из наименее эффективных известных устройств (только примерно 5% электрической энергии преобразуется в свет).Напротив, клетка печени млекопитающего является относительно эффективным механизмом и может использовать топливо, такое как глюкоза, с эффективностью 30–50%.

    Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Приблизительная термодинамическая эффективность различных устройств
    Устройство Преобразование энергии Приблизительный КПД (%)
    большой электрогенератор механическая → электрическая 99
    химическая батарея химический → электрический 90
    печь бытовая химический → нагрев 65
    малый электроинструмент электрический → механический 60
    двигатель космического челнока химический → механический 50
    клетка печени млекопитающих химическое → химическое 30–50
    клетка из листьев шпината легкий → химический 30
    Двигатель внутреннего сгорания химический → механический 25–30
    люминесцентный свет электрика → свет 20
    солнечный элемент свет → электричество 10-20
    лампа накаливания электричество → свет 5
    дрожжевые клетки химическое → химическое 2–4

    Стандартное изменение свободной энергии

    Мы видели, что нет способа измерить абсолютные энтальпии, хотя мы можем измерить изменения энтальпии (ΔH) во время химической реакции.Поскольку энтальпия является одним из компонентов свободной энергии Гиббса, мы, следовательно, не можем измерить абсолютные свободные энергии; мы можем измерить только изменения в свободной энергии. Стандартное изменение свободной энергии (ΔG °) - это изменение свободной энергии, когда одно вещество или набор веществ в их стандартных состояниях превращается в одно или несколько других веществ, также в их стандартных состояниях. Стандартное изменение свободной энергии можно вычислить из определения свободной энергии, если известны стандартные изменения энтальпии и энтропии, используя уравнение \ (\ ref {Eq5} \):

    \ [ΔG ° = ΔH ° - TΔS ° \ label {Eq5} \]

    Если ΔS ° и ΔH ° для реакции имеют одинаковый знак, то знак ΔG ° зависит от относительных величин членов ΔH ° и TΔS °.о \)) при 25 ° С для реакции

    \ [\ ce {h3 (g) + O2 (g) \ rightleftharpoons h3O2 (l)} \ nonumber \]

    При 25 ° C стандартное изменение энтальпии (ΔH °) составляет -187,78 кДж / моль, а абсолютные энтропии продуктов и реагентов составляют:

    • S ° (H 2 O 2 ) = 109,6 Дж / (моль • К),
    • S ° (O 2 ) = 205,2 Дж / (моль • К), а
    • S ° (H 2 ) = 130,7 Дж / (моль • К).

    Реакция спонтанная, как написано?

    Дано : вычисленное химическое уравнение, ΔH ° и S ° для реагентов и продуктов

    Запрошено: спонтанность реакции написано

    Стратегия :

    1. Рассчитайте ΔS ° по приведенным абсолютным значениям молярной энтропии.\ circ (\ mathrm {H_2})]
      \ nonumber \\ [4pt] & = [\ mathrm {1 \; mol \; H_2O_2} \ times109.6 \; \ mathrm {Дж / (моль \ cdot K}) ]
      \ nonumber \\ [4pt] & - \ left \ {[\ textrm {1 mol H} _2 \ times130.7 \; \ mathrm {J / (mol \ cdot K)}] + [\ textrm {1 mol O} _2 \ times205.2 \; \ mathrm {J / (mol \ cdot K)}] \ right \}
      \ nonumber \\ [4pt] & = - 226.3 \ textrm {J / K} (\ textrm {per родинка} \ mathrm {H_2O_2}) \ end {align *} \]

      Как и следовало ожидать от реакции, в которой 2 моля газа превращаются в 1 моль гораздо более упорядоченной жидкости, \ (ΔS ^ o \) очень отрицательно для этой реакции.о \)) составляет 50,6 кДж / моль, а абсолютные энтропии продуктов и реагентов составляют

      • S ° (N 2 H 4 ) = 121,2 Дж / (моль • К),
      • S ° (N 2 ) = 191,6 Дж / (моль • К), а
      • S ° (H 2 ) = 130,7 Дж / (моль • К).
      Ответ

      149,5 кДж / моль

      нет, не спонтанно

      Видео решение

      Табличные значения стандартных свободных энергий образования позволяют химикам рассчитывать значения ΔG ° для широкого спектра химических реакций, а не измерять их в лаборатории.o_ {f} (реагенты) \ label {Eq7a} \]

      где m и n - стехиометрические коэффициенты каждого продукта и реагента в сбалансированном химическом уравнении. Очень большое отрицательное значение ΔG ° указывает на сильную тенденцию к самопроизвольному образованию продуктов из реагентов; однако это не обязательно означает, что реакция будет происходить быстро. Чтобы сделать это определение, нам необходимо оценить кинетику реакции.

      Правило «Продукты за вычетом реагентов»

      \ (ΔG ^ o \) реакции можно рассчитать из табличных значений ΔG f (Таблица T1) с использованием правила «продукты минус реагенты».

      Пример \ (\ PageIndex {2} \)

      Рассчитайте ΔG ° для реакции изооктана с газообразным кислородом с образованием диоксида углерода и воды (описано в примере 7). Используйте следующие данные:

      • ΔG ° f (изооктан) = -353,2 кДж / моль,
      • ΔG ° f (CO 2 ) = -394,4 кДж / моль, а
      • ΔG ° f (H 2 O) = −237,1 кДж / моль. Реакция спонтанная, как написано?

      Дано : вычисленное химическое уравнение и значения ΔG ° f для изооктана, CO 2 и H 2 O

      Спрошено : спонтанность реакции как написано

      Стратегия :

      Используйте правило «продукты минус реагенты», чтобы получить ΔG rxn , помня, что ΔG ° f для элемента в его стандартном состоянии равно нулю.По рассчитанному значению определите, является ли реакция спонтанной, как написано.

      Решение

      Рассчитанное химическое уравнение реакции выглядит следующим образом:

      \ [\ ce {C8H_ {18} (l) + 25/2 O2 (g) \ rightarrow 8CO2 (g) + 9h3O (l)} \ nonumber \]

      Нам даны значения ΔG f для всех продуктов и реагентов, кроме O 2 (г). Поскольку газообразный кислород является элементом в своем стандартном состоянии, ΔG f (O 2 ) равно нулю.\ circ_ \ textrm f (\ mathrm {O_2}) \ right]
      \ nonumber \\ [4pt] & = [(\ textrm {8 mol}) (- 394.4 \ textrm {кДж / моль}) + (\ textrm { 9 моль}) (- 237,1 \ textrm {кДж / моль})]
      \ nonumber \\ [4pt] & - \ left [(\ textrm {1 mol}) (- 353,2 \ textrm {кДж / моль}) + \ left (\ dfrac {25} {2} \; \ textrm {mol} \ right) (0 \ textrm {кДж / моль}) \ right]
      \ nonumber \\ [4pt] & = - 4935.9 \ textrm {kJ} (\ textrm {на моль} \ mathrm {C_8H_ {18}}) \ nonumber \ end {align *} \]

      Поскольку ΔG ° является большим отрицательным числом, существует сильная тенденция к самопроизвольному образованию продуктов из реагентов (хотя и не обязательно с высокой скоростью).Также обратите внимание, что величина ΔG ° в значительной степени определяется ΔG f стабильных продуктов: воды и диоксида углерода.

      Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

      Рассчитайте ΔG ° для реакции бензола с газообразным водородом с образованием циклогексана, используя следующие данные

      • ΔG f (бензол) = 124,5 кДж / моль
      • ΔG f (циклогексан) = 217,3 кДж / моль.

      Реакция спонтанная, как написано?

      Ответ

      92.8 кДж; нет

      Видео решение

      Расчетные значения ΔG ° чрезвычайно полезны для предсказания, будет ли реакция происходить спонтанно, если реагенты и продукты смешиваются в стандартных условиях. Однако следует отметить, что очень немногие реакции фактически проводятся в стандартных условиях, и расчетные значения ΔG ° могут не сказать нам, будет ли данная реакция происходить самопроизвольно в нестандартных условиях. То, что определяет, будет ли реакция происходить спонтанно, - это изменение свободной энергии (ΔG) в реальных экспериментальных условиях, которые обычно отличаются от ΔG °.Если члены ΔH и TΔS для реакции имеют одинаковый знак, например, тогда можно изменить знак ΔG, изменив температуру, тем самым преобразовав реакцию, которая не является термодинамически спонтанной, имеющей K eq <1 , на тот, который имеет K eq > 1, или наоборот. Поскольку ΔH и ΔS обычно не сильно изменяются в зависимости от температуры в отсутствие фазового перехода, мы можем использовать табличные значения ΔH ° и ΔS ° для расчета ΔG ° при различных температурах, при условии отсутствия фазового перехода

      .

      Смотрите также