Какво е стандартното състояние. Елементи на химичната термодинамика и кинетика

За да се сравнят топлинните ефекти на различните реакции един с друг, е необходимо да се стандартизират условията, при които протичат тези реакции (изходните материали се вземат в стехиометрични съотношения). Състоянието на всяко вещество се създава като стандартно състояние. Това е агрегатното състояние, в което веществото е по-стабилно, при P0=101kPa=1 atm. и T=298K=25˚С.

Топлинният ефект на реакцията, протичаща при стандартни условия.

Термохимични уравнения -това са уравненията на химичните реакции, в които до формулата на участващите реакции състоянието на веществото е посочено в скоби (твърдо - (t), кристално - (k), течно - (g), газообразно - (g), разтвор - (r)) и след уравнението, разделени с точка и запетая, се посочва големината на топлинния ефект при стандартни условия.

При тази реакция сложно вещество се образува от прости вещества и топлинният ефект на такива реакции се нарича топлина на образуване на вещество.

Стандартният терлот на образуването на вещество () е топлинният ефект от образуването на 1 мол вещество от прости вещества, които са в стандартно състояние.

Стандартната топлина на образуване на прости вещества условно се приема за нула. Стандартните топлини на образуване на сложни вещества са налични в референтната таблица.

Термохимични закони и изчисления върху тях:

1. Законът на Хес.

Топлинният ефект от протичащата на няколко етапа реакция е равен на сумата от топлинните ефекти на отделните етапи.

окисляване на графит.

Следствие от закона на Хес:

Тоест, топлинният ефект на процеса зависи само от вида на изходните вещества и реакционните продукти, но не зависи от пътя на прехода.

Топлинният ефект на реакцията е равен на разликата между сумите на топлината на образуване на реакционните продукти и изходните материали. Топлините на образуване на участниците в реакцията се изчисляват в следния израз, като се вземе предвид коефициентът на уравнението на реакцията. Последният израз се използва за изчисляване на топлинните ефекти на химични реакции, протичащи при стандартни условия, като се използват референтни данни, според стандартните топлина на образуване на участниците в реакциите.

2. Закон на Лавоазие-Лаплас.

Топлината на образуване на вещество е числено равна на топлината на разлагане на вещество с противоположен знак.

Посока на химичните реакции.

Всяка химическа реакция е обратима, т.е. може да тече както в права, така и в обратна посока. Следователно както изходните материали, така и реакционните продукти винаги присъстват в реакционната смес. Но съотношението ще зависи от условията, при които се намират реагиращите вещества. Всички реакции са обратими, но при определени условия могат да протичат в определена посока.

Термодинамиката ви позволява да определите посоката на дадена реакция при дадени условия (при t=const и P=const). Процесите, свързани с намаляването на свободната енергия на системата, протичат спонтанно. Въз основа на това спонтанно могат да възникнат реакции, в хода на които свободната енергия на системата намалява. По време на екзотермична реакция съдържанието на топлина намалява; такива реакции трябва да протичат спонтанно (), но този критерий не е единственият. Изменението на свободната енергия се определя и от стойността на друга термодинамична функция - ентропията. Може да се даде пример за реакции, които са екзотермични, но не протичат спонтанно.

Следователно принципът на Бертло-Томсън не се прилага за всички реакции. Това се обяснява с факта, че промяната в свободната система е свързана не само с промяна на нейното топлинно съдържание, но и с промяна на ентропията.

Процесите могат да протичат без промяна на вътрешната енергия и без промяна на съдържанието на топлина.

Ентропията (S, J/K) е термохимична функция, мярка за разстройството на системата, вероятностна функция за състоянието на системата. Така протичат спонтанни процеси, при които се увеличава ентропията, тоест нараства хаосът. Обратният процес изисква енергия.

Спонтанно разширяване на газа в празнина или във вакуум и процеси на смесване могат да възникнат спонтанно.

Критерии за спонтанен

хода на процеса.
Стандартната ентропия на вещество ((B), J / mol * K) е предназначена за сравняване и определяне на ентропията в химическа реакция. Възможно е да се оцени ентропията за 1 мол от всяко вещество при стандартни условия. За ентропията се наблюдават следствията от закона на Хес.

Промяната в ентропията при стандартни условия по време на химическа реакция.

Промяната в ентропията не зависи от начина на преминаване на системата от първоначалното състояние към крайното състояние, а се определя само от началното и крайното състояние на реагиращите вещества. И ако , тогава реакциите протичат спонтанно, при условие че .

Ентропията на дадено вещество зависи от неговото агрегатно състояние и преходът от кристална към течна и газообразна ентропия ще се увеличи. Ентропията е пропорционална на температурата.

Изобарно-изотермичният потенциал на системата е стойността на свободната енергия на системата при постоянно налягане и температура, при стандартни условия се обозначава G 0. В хода на химичната реакция има промяна в изобарно-термичния потенциал.

Състоянието на равновесие, т.е. преките и обратните процеси протичат с еднаква скорост и двете посоки са еднакво вероятни. Когато може да протича спонтанно при дадена температура и налягане, обратната реакция не е възможна.

Стандартното термодинамично състояние беше въведено като общ произход на летливостта за всички газове.

Тъй като свойствата на всички газове са различни, в реални условия те не могат да имат общи точки на кривата f=f(P). Следователно състоянието, общо за всички газове, може да бъде само въображаемо.

Най-удобно е да се приеме, че всички свойства на различните газове ще съвпаднат, ако се превърнат (по въображение!) в идеални газове.

Исторически, от десетилетия единицата за налягане е атмосфера(атм.) , където 1 atm е равен на 1,01325 × 10 5 Pa. Лесно е да се разбере, че в стандартно състояние газът трябва да бъде при това налягане.

Въпреки че системата от единици се променя през следващите години, налягането на идеален газ в стандартно състояние остава същото, т.е. равно на 1 атм.

Дефиницията на стандартното термодинамично състояние за газовете е:

Стандартното термодинамично състояние на газ при дадена температура е въображаемо състояние под формата на идеален газ при налягане 1,01325×10 5 Pa.

Нека разгледаме процеса на преминаване на газа от стандартното състояние към даденото състояние, което съответства на летливостта f.

Ще се придържаме към следното задължително условие:

Всички величини, свързани със стандартното състояние или отчитани от него, се означават със символа o, който се поставя горе вдясно на определената стойност..

Поради тази причина в стандартно състояние налягането и равната му летливост ще бъдат означени по следния начин: f o = P o =1,01325×10 5 Pa.

Първият етап от прехода от стандартното състояние към даденото състояние на газа включва разширяването на газа. Тъй като в стандартното състояние той е надарен със свойствата на идеален газ, тогава неговото разширение (не трябва да забравяме, че говорим за изотермична функция) трябва да се случи по протежение на изотермата на идеален газ до много малко налягане P* или издръжливост f*. Промяната в енергията на Гибс на този етап е

При много ниско налягане свойствата на реалния газ всъщност съвпадат с тези на идеалния газ. Следователно няма разлика между изотермите на идеалния газ и изотермите на реалния газ при тези условия. В тази връзка преходът от изотермата на идеалния газ към изотермата на реалния газ няма да доведе до никакви промени в системата. Следователно за втория етап на процеса промяната в енергията на Гибс ще бъде равна на нула.

Третият етап е изотермичното компресиране на реален газ от фугитивност f* до фугитивност в дадено състояние f. Промяната в енергията на Гибс на този етап е

Общата промяна в енергията на Гибс в резултат на всички етапи е

Често срещани съкращения

d - газ, газообразно агрегатно състояние

g - течност, течно агрегатно състояние

t - твърдо състояние на материята (в това ръководство t е еквивалентно на кристалното състояние, тъй като некристалното състояние на твърдото тяло не се разглежда в рамките на програмата)

aq е разтвореното състояние, а разтворителят е вода (от думата воднисти- вода)

ЕМП - електродвижеща сила

Коментари

Стандартно състояние в термодинамиката.Стандартните състояния са както следва:

за газообразно вещество, чисто или в газова смес, хипотетичното състояние на чисто вещество в газовата фаза, в което то има свойствата на идеален газ и стандартно налягане Р°. В това ръководство е прието Р° \u003d 1,01325 × 10 5 Pa (1 atm).

за чиста течна или твърда фаза, както и за течен разтвор разтворител - състоянието на чисто вещество в съответното агрегатно състояние при стандартно налягане Р°.

за разтворено вещество в твърд или течен разтвор, хипотетичното състояние на това вещество в разтвор със стандартна концентрация ОТ°, който има свойствата на безкрайно разреден разтвор (за дадено вещество) при стандартно налягане Р°. Приема се стандартна концентрация ОТ° \u003d 1 mol / dm 3.

Избор на стехиометрични коефициенти.Стехиометричните коефициенти на химическа реакция показват моларното съотношение, в което тези вещества реагират едно с друго. Например, в реакцията A + B \u003d Z, стехиометричните коефициенти на реагентите са равни (по абсолютна стойност), от което следва, че 1 mol A реагира без остатък с 1 mol B, за да образува 1 mol Z. Значението на този запис няма да се промени, ако изберете други равни коефициенти. Например, уравнението 2A + 2B = 2Z съответства на същото стехиометрично съотношение между реагентите. Следователно в общия случай коефициентите n азвсяка реакция се дефинира до произволен общ множител. Въпреки това, в различните раздели на физическата химия се приемат различни конвенции по отношение на избора на този фактор.

В термохимията, в реакциите на образуване на вещества от прости вещества, коефициентите се избират така, че коефициентът 1 да стои пред образуваното вещество.Например, за образуването на йодоводород:

1/2H 2 + 1/2I 2 = HI

В химическата кинетика коефициентите се избират така, че да съответстват, ако е възможно, на реда на реакцията за съответните реагенти. Например образуването на HI е от първи ред в Н2 и първи ред в I2. Следователно реакцията се записва като:

H2 + I2® 2HI

В термодинамиката на химичните равновесия изборът на коефициенти обикновено е произволен, но в зависимост от вида на реакцията може да се даде предпочитание на един или друг избор. Например, за да изразите равновесната константа на киселинната дисоциация, обичайно е да изберете коефициента пред киселинния символ равен на 1. По-специално, за киселинната дисоциация на йодоводорода изберете

ЗДРАВЕЙ H + + I –

(коефициентът преди HI е 1).

Обозначения за концентрация.Със същия символ концентрацията или съдържанието на даден компонент в смес може да има различно значение. Концентрацията може да бъде равновесна (такава, която се достига при равновесие), текуща (такава, която съществува в даден момент или на даден етап от процеса) и брутна или „аналитична“. Тези концентрации могат да варират. Например, ако приготвите разтвор на оцетен анхидрид (CH 3 CO) 2 O във вода, като вземете 1 mol 100% оцетен анхидрид и го разредите с вода до 1 литър, тогава полученият разтвор ще има брутна или аналитична концентрация ОТ\u003d 1 mol / l (CH 3 CO) 2 O. Всъщност оцетният анхидрид претърпява необратима хидролиза до оцетна киселина (CH 3 CO) 2 O + H 2 O ® 2CH 3 COOH, поради което текущата му концентрация намалява от 1 mol / l до началното време до равновесна концентрация от приблизително 0 mol/l в края на реакцията. От друга страна, въз основа на пълната хидролиза на анхидрида, можем да кажем, че общата концентрация на разтвора е 2 mol/l CH 3 COOH (независимо от етапа на процеса на хидролиза). Реакционният продукт обаче е подложен на киселинна дисоциация на CH 3 COOH CH 3 COO - + H +, така че реалните концентрации в разтвора, включително реалната концентрация на CH 3 COOH, не са равни на никоя от брутните. Реалните концентрации на CH 3 COOH, CH 3 COO - и H + при равновесие се наричат ​​равновесни. Химиците често използват същата нотация ОТза всички тези видове концентрации, ако приемем, че значението на обозначението е ясно от контекста. Ако искате да подчертаете разликата, тогава обикновено се използва следната нотация за моларни концентрации : ОТе брутната или аналитичната концентрация, [A] е текущата или равновесната концентрация на компонент A и (понякога) [A]e е равновесната концентрация на компонент A. Този индекс прави писането на равновесни константи, като напр.