Przeczytaj

bg‑cyan

Entalpia swobodna reakcji chemicznej

Kierunek reakcji chemicznej można przewidzieć, znając wcześniej wartość entalpii swobodnej danej reakcji chemicznej. Entalpia swobodna reakcji chemicznej oznaczana jest jako $Δ G_{r}$ . Gdy procesy zachodzą w warunkach izotermiczno‑izobarycznychwarunki izotermiczno‑izobarycznewarunkach izotermiczno‑izobarycznych, czyli w warunkach stałej temperatury i ciśnienia ( $T$ , $p = const.$ ), $Δ G_{r}$ , definiuje się ją jako różnicę zmiany entalpii $Δ H_{r}$ i iloczynu temperatury oraz zmiany entropii $Δ S_{r}$ .

Δ G_{r} = Δ H_{r} - T \cdot Δ S_{r}

gdzie:

$Δ G_{r}$ – zmiana entalpii swobodnej w czasie reakcji chemicznej $[\frac{kJ}{mol}]$ ;
$Δ H_{r}$ – zmiana entalpii w czasie reakcji chemicznej $[\frac{kJ}{mol}]$ ;
$T$ – temperatura w skali bezwzględnej $[K]$ ;
$Δ S_{r}$ – zmiana entropii w czasie reakcji chemicznej $[\frac{J}{mol \cdot K}]$ .

bg‑cyan

Przewidywanie kierunku reakcji chemicznych

A + B ⇄ C

jeżeli:

$Δ G_{r} < 0$ reakcja zachodzi samorzutnie (przebieg reakcji w prawo);

$Δ G_{r} = 0$ układ jest w stanie równowagistan równowagistanie równowagi;

$Δ G_{r} > 0$ reakcja nie zachodzi samorzutnie (przebieg reakcji w lewo).

Przykład 1

W jakim kierunku będzie zachodzić poniższa reakcja w temperaturze $25 ° C$ ( $298 K$ )?

C_{(s)} + O_{2 (g)} ⇄ {CO}_{2 (g)}

Na początku należy obliczyć zmianę entalpii oraz entropii tej reakcji chemicznej, korzystając ze wzorów:

Δ H_{r} = \sum_{i}^{produkty} υ_{i} Δ H_{tw, i} - \sum_{j}^{substraty} υ_{j} Δ H_{tw, j}

Δ H_{r} = \sum_{i}^{produkty} υ_{i} S_{i} - \sum_{j}^{substraty} υ_{j} S_{j}

gdzie:

$υ$ – współczynnik stechiometryczny;
$Δ H_{tw}$ – entalpia tworzenia $[\frac{kJ}{mol}]$ ;
$S$ – entropia $[\frac{J}{mol \cdot K}]$ .

Entalpię tworzenia oraz entropię danej substancji można odczytać z tablic fizykochemicznych.

Substancja	$Δ H °_{tw} [\frac{kJ}{mol}]$	$S ° [\frac{J}{mol \cdot K}]$
$C_{(s)}$	$0$	$6$
${O_{2}}_{(g)}$	$0$	$205$
${CO}_{2}_{(g)}$	$- 393$	$214$

$Δ H_{r} = - 393 \frac{kJ}{mol} - 0 \frac{kJ}{mol} - \frac{kJ}{mol} = - 393 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)}}$

$Δ S_{r} = 214 \frac{J}{mol \cdot K} - 6 \frac{J}{mol \cdot K} - 205 \frac{J}{mol \cdot K} = 3 \frac{J}{mol {CO}_{2 (g)} \cdot K}$

Następnie należy obliczyć zmianę entalpii swobodnej reakcji:

Δ G_{r} = Δ H_{r} - T \cdot Δ S_{r}

$Δ G_{r} = - 393 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)}} - 298 K \cdot 0, 003 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)} \cdot K} = - 394 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)}}$

Zmiana entalpii swobodnej reakcji $Δ G_{r}$ jest ujemna, dlatego reakcja przebiega w kierunku tworzenia produktów (powstawania tlenku węgla( $IV$ ) ${CO}_{2}$ ).

Przykład 2

W jakim kierunku będzie zachodzić poniższa reakcja w temperaturze $25 ° C$ ( $298 K$ )?

{CO}_{2 (g)} + 2 H_{2} O_{(c)} ⇄ {CH}_{4 (g)} + 2 O_{2 (g)}

Na początku należy obliczyć zmianę entalpii oraz entropii tej reakcji chemicznej:

Δ H_{r} = \sum_{i}^{produkty} υ_{i} Δ H_{tw, i} - \sum_{j}^{substraty} υ_{j} Δ H_{tw, j}

Δ H_{r} = \sum_{i}^{produkty} υ_{i} S_{i} - \sum_{j}^{substraty} υ_{j} S_{j}

Entalpię tworzenia oraz entropię danej substancji można odczytać z tablic fizykochemicznych.

Substancja	$Δ H °_{tw} [\frac{kJ}{mol}]$	$S ° [\frac{J}{mol \cdot K}]$
${CO}_{2 (g)}$	$- 393$	$214$
$H_{2} O_{2 (c)}$	$- 286$	$70$
${CH}_{4 (g)}$	$- 75$	$186$
$O_{2 (g)}$	$0$	$205$

$Δ H_{r} = - 75 \frac{kJ}{mol} + 2 \cdot 0 \frac{kJ}{mol} - (- 393) \frac{kJ}{mol} - 2 \cdot (- 286) \frac{kJ}{mol} = 890 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)}}$

$Δ S_{r} = 186 \frac{J}{mol \cdot K} + 2 \cdot 205 \frac{J}{mol \cdot K} - 214 \frac{J}{mol \cdot K} - 2 \cdot 70 \frac{J}{mol \cdot K} = 242 \frac{J}{mol {CO}_{2 (g)} \cdot K}$

Następnie należy obliczyć zmianę entalpii swobodnej reakcji:

Δ G_{r} = Δ H_{r} - T \cdot Δ S_{r}

$Δ G_{r} = 890 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)}} - 298 K \cdot 0,242 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)} \cdot K} = 817,88 \frac{kJ}{mol {CO}_{2 (g)}}$

W podanych warunkach zmiana entalpii swobodnej reakcji $Δ G_{r}$ jest dodatnia, dlatego reakcja przebiegająca w kierunku produktów nie zachodzi samorzutnie. Samorzutnie zachodzi reakcja odwrotna – reakcja zachodzi w kierunku tworzenia substratów (powstawania tlenku węgla( $IV$ ) oraz wody).

Słownik

entalpia reakcji chemicznej

$Δ H_{r}$ – ciepło przekazane lub oddane w czasie reakcji chemicznej, zmierzone pod stałym ciśnieniem i w stałej temperaturze w stosunku do reagentów

entropia

$S$ – funkcja stanu określająca kierunek przebiegu zjawisk związanych z przemianami i przepływem energii

entropia reakcji chemicznej

$Δ S_{r}$ – zmiana entropii spowodowana zajściem reakcji chemicznej pod stałym ciśnieniem i w stałej temperaturze

stan równowagi

stan układu, w którym przeciwne procesy zachodzą z jednakową szybkością

warunki izotermiczno‑izobaryczne

oznaczają stałą temperaturę i stałe ciśnienie ( $T$ , $p = const.$ )

Bibliografia

Atkins P. W., Podstawy chemii fizycznej, Warszawa 1999.

Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, tłum. J. Kuryłowicz, Warszawa 2012.

Litwin M., Styska‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2012.

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Entalpia swobodna reakcji chemicznej

Przewidywanie kierunku reakcji chemicznych

Słownik

Bibliografia