Изобарно-изотермический потенциал, или свободная энергия Гиббса

Химическое сродство. Принцип Бертло.

Французский химик М. Бертло считал, что критерием выгодности протекания процесса.

(«мерой химического сродства») является тепловой эффект реакции. Любая система стремится к минимуму энергии, поэтому реакции протекают самопроизвольно при выделении тепла. Однако если равновесие устанавливается при высокой температуре, вопреки принципу Бертло, самопроизвольно могут происходить и эндотермические процессы. Например, если после установления равновесия продукт экзотермической реакции S0₃ поместить в автоклав (при той же температуре), то через некоторое время установится новое равновесие, появятся новые равновесные концентрации веществ, т. е. самопроизвольно произойдет эндотермическая реакция:

Все системы самопроизвольно стремятся к минимуму энергии (АН), но одновременно к максимуму неупорядоченности (S).

Функцией состояния, одновременно отражающей влияние обеих тенденций на направление протекания химических процессов, служит изобарно-изотермический потенциал, или свободная энергия Гиббса:

Для закрытых сосудов — свободная энергия Гельмгольца.

Свободные энергии Гиббса и Гельмгольца AG° и ДF являются функциями состояния, к ним применимо следствие из закона Гесса:

Величины AG и AF имеют ту же размерность, что и энтальпия, AG° образования простого вещества принимают равной нулю.

При низких температурах значение TAS мало, и преобладает энтальпийный фактор (АН). В этих условиях принцип Бертло справедлив, тепловой эффект определяет возможность самопроизвольного протекания реакции.

При высоких температурах преобладает энтропийный фактор (-TAS) и принцип Бертло неприменим.

Если система находится в состоянии равновесия, т. е. в системе не происходит ни энергетических изменений (АН = 0), ни изменений в степени беспорядка (AS = 0), то AG = 0. Если AG > 0, процесс самопроизвольно не происходит.

При постоянстве температуры и давления химические реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при котором энергия Гиббса системы уменьшается (AG < 0).

Изменение изобарно-изотермического потенциала реакции связано с ее константой равновесия (К_р, подробнее см. п. 1.2.5) зависимостью.

При стандартных условиях Д (7_р = —5,69 lg К_р.

Примеры решения задач

1. При сжигании угля выделилось 197,84 кДж тепла (ДН_р = = -197,84 кДж) и образовалось 22 г С0₂. Вычислите теплоту образования углекислого газа.

Решение. С (к) + 0₂(г) = С0₂(г), дается тепловой эффект реакции при выделении 22 г С0₂, что составляет 0,5 моль (количество вещества п{С0₂) = т (С0₂)/М (С0₂) = 22 г/44 г = 0,5 моль).

Теплота образования 1 моля С0₂(г) ДН° рассчитывается из соотношения.

2. Вычислите константу равновесия (К_р) при 25 °C в реакции образования воды.

если изменение изобарно-изотермического потенциала (ДП°) равно -228,767 кДж/моль. Как велик будет выход продукта в этой реакции?

Решение.

Малое значение К_р означает, что при комнатной температуре эта реакция практически не идет.