Mi a standard állapot. A kémiai termodinamika és kinetika elemei
A különböző reakciók hőhatásainak egymással való összehasonlítása érdekében szükséges a reakciók végbemenetelének körülményeinek standardizálása (a kiindulási anyagokat sztöchiometrikus arányban vesszük). Az egyes anyagok állapota standard állapotként jön létre. Ez az a fizikai állapot, amelyben az anyag stabilabb, P0=101kPa=1 atm. és T=298K=25˚С.
A normál körülmények között lezajló reakció termikus hatása.
Termokémiai egyenletek - ezek a kémiai reakciók egyenletei, amelyekben a résztvevő reakciók képlete mellett zárójelben az anyag halmazállapota van feltüntetve (szilárd - (t), kristályos - (k), folyékony - (g), gáznemű - (g), megoldás - (p)) és az egyenlet után pontosvesszővel elválasztva a termikus hatás nagyságát jelöljük, standard körülmények között.
Ebben a reakcióban egyszerű anyagokból összetett anyag keletkezik, és az ilyen reakciók hőhatását egy anyag képződéshőjének nevezzük.
Az anyag képződésének standard terlotja () az a hőhatás, amely 1 mól anyag képződését jelenti egyszerű anyagokból, amelyek standard állapotban vannak.
Az egyszerű anyagok szabványos képződéshőjét hagyományosan nullának tekintjük. A komplex anyagok standard képződési hőjei a referenciatáblázatban találhatók.
Termokémiai törvények és számítások rájuk:
1. Hess törvénye.
A több lépcsőben lezajló reakció hőhatása megegyezik az egyes szakaszok hőhatásainak összegével.
grafit oxidáció.
A Hess-törvény következménye:
Vagyis a folyamat termikus hatása csak a kiindulási anyagok és reakciótermékek típusától függ, de nem függ az átmeneti úttól.
A reakció termikus hatása megegyezik a reakciótermékek és a kiindulási anyagok képződéshőinek összege közötti különbséggel. A reakcióban résztvevők képződéshőit a következő kifejezésben számítjuk ki, figyelembe véve a reakcióegyenlet együtthatóját. Az utolsó kifejezés a standard körülmények között lezajló kémiai reakciók hőhatásainak kiszámítására szolgál referencia adatok felhasználásával, a reakciókban résztvevők standard képződéshői alapján.
2. Lavoisier-Laplace törvénye.
Egy anyag képződéshője számszerűen megegyezik egy ellenkező előjelű anyag bomláshőjével.
A kémiai reakciók iránya.
Bármely kémiai reakció reverzibilis, pl. előre és hátrafelé is áramolhat. Ezért mind a kiindulási anyagok, mind a reakciótermékek mindig jelen vannak a reakcióelegyben. De az arány attól függ, hogy milyen körülmények között találhatók a reagáló anyagok. Minden reakció reverzibilis, de bizonyos feltételek mellett bizonyos irányban haladhatnak.
A termodinamika lehetővé teszi egy adott reakció irányának meghatározását adott körülmények között (t=const és P=const). A rendszer szabad energiájának csökkenésével járó folyamatok spontán módon mennek végbe. Ennek alapján spontán reakciók léphetnek fel, amelyek során a rendszer szabad energiája csökken. Az exoterm reakció során a hőtartalom csökken, ezeknek a reakcióknak spontán módon kell lezajlniuk (), azonban nem ez az egyetlen kritérium. A szabadenergia változását egy másik termodinamikai függvény - az entrópia - értéke is meghatározza. Példa lehet olyan reakciókra, amelyek exotermek, de nem mennek spontán módon.
Ezért a Berthelot-Thomson elv nem érvényes minden reakcióra. Ez azzal magyarázható, hogy egy szabad rendszer változása nemcsak a hőtartalmának, hanem az entrópia változásával is összefügg.
A folyamatok a belső energia és a hőtartalom változása nélkül is lezajlhatnak.
Az entrópia (S, J/K) termokémiai függvény, a rendszer rendezetlenségének mértéke, a rendszer állapotának valószínűségi függvénye. Így spontán folyamatok mennek végbe, amelyek során megnő az entrópia, vagyis nő a káosz. A fordított folyamat energiát igényel.
A gáz spontán üregbe vagy vákuumba való tágulása és keveredési folyamatok spontán módon történhetnek.
A spontán kritériumai
a folyamat menetét.
Egy anyag standard entrópiája ((B), J / mol * K) a kémiai reakciók entrópiájának összehasonlítására és meghatározására szolgál. Megbecsülhető az entrópia 1 mól anyagra standard körülmények között. Az entrópia esetében a Hess-törvény következményeit figyeljük meg.
Az entrópia változása standard körülmények között egy kémiai reakció során.
Az entrópia változása nem függ a rendszer kezdeti állapotból a végső állapotba való átmenet módjától, hanem csak a reagáló anyagok kezdeti és végső állapota határozza meg. És ha , akkor a reakciók spontán módon mennek végbe, feltéve, hogy .
Egy anyag entrópiája a fizikai állapotától függ, és a kristályosból a folyékony és gáznemű entrópiára való átmenet fokozódik. Az entrópia arányos a hőmérséklettel.
A rendszer izobár-izoterm potenciálja a rendszer szabadenergiájának értéke állandó nyomáson és hőmérsékleten, normál körülmények között, G 0-val jelöljük. Egy kémiai reakció során az izobár-termikus potenciál megváltozik.
Az egyensúlyi állapot, azaz a közvetlen és a fordított folyamatok azonos sebességgel mennek végbe, és mindkét irány egyformán valószínű. Ha adott hőmérsékleten és nyomáson spontán módon lezajlik, a fordított reakció nem lehetséges.
A standard termodinamikai állapotot minden gáz illékonyságának közös eredőjeként vezették be.
Mivel minden gáz tulajdonságai eltérőek, valós körülmények között nem lehet közös pontjuk az f=f(P) görbén. Következésképpen az összes gázra jellemző állapot csak képzeletbeli lehet.
A legkényelmesebb azt feltételezni, hogy a különféle gázok minden tulajdonsága egybeesik, ha (képzetszerűen!) ideális gázokká alakulnak.
Történelmileg évtizedek óta a nyomás mértékegysége az volt légkör(atm.) , ahol 1 atm egyenlő 1,01325×10 5 Pa. Könnyen érthető, hogy normál állapotban a gáznak ezen a nyomáson kell lennie.
Bár a mértékegységek rendszere a következő években változott, az ideális gáz nyomása normál állapotban változatlan maradt, i.e. egyenlő 1 atm.
A gázok standard termodinamikai állapotának meghatározása a következő:
A gáz standard termodinamikai állapota adott hőmérsékleten egy képzeletbeli állapot ideális gáz formájában 1,01325×10 5 Pa nyomáson..
Tekintsük a gáz átmenet folyamatát a standard állapotból az adott állapotba, amely megfelel az f illékonyságnak.
Az alábbi kötelező feltételt fogjuk betartani:
A standard állapothoz kapcsolódó vagy abból számolt összes mennyiséget o szimbólum jelöli, amely a meghatározott érték jobb felső sarkában található..
Emiatt standard állapotban a nyomást és az azzal megegyező illékonyságot a következőképpen jelöljük: f o = P o =1,01325×10 5 Pa.
A gáz standard állapotából az adott állapotba való átmenet első szakasza a gáz tágulását jelenti. Mivel standard állapotban ideális gáz tulajdonságaival van felruházva, akkor a tágulása (nem szabad elfelejteni, hogy izotermikus függvényről beszélünk) az ideális gáz izotermája mentén kell, hogy történjen egészen kis P* nyomásig, ill. fugacity f*. A Gibbs-energia változása ebben a szakaszban az
Nagyon alacsony nyomáson a valódi gáz tulajdonságai valójában egybeesnek egy ideális gázéval. Ezért ilyen körülmények között nincs különbség az ideális gázizotermák és a valódi gázizotermák között. Ebben a tekintetben az ideális gázizotermáról a valódi gázizotermára való átmenet nem okoz változást a rendszerben. Következésképpen a folyamat második szakaszában a Gibbs-energia változása nulla lesz.
A harmadik szakasz egy valódi gáz izotermikus összenyomása f* fugacitással fugacitásra adott f állapotban. A Gibbs-energia változása ebben a szakaszban az
A Gibbs-energia teljes változása az összes szakasz eredményeként az
Gyakori rövidítések
d - gáz, gáz halmazállapotú anyag
g - folyékony, folyékony halmazállapotú anyag
t - az anyag szilárd halmazállapota (ebben a kézikönyvben a t a kristályos állapotnak felel meg, mivel a szilárd anyag nem kristályos állapotát a program nem veszi figyelembe)
aq az oldott állapot, az oldószer pedig víz (a szóból vizes- víz)
EMF - elektromotoros erő
Hozzászólások
Szabványos állapot a termodinamikában. A szabványos állapotok a következők:
tiszta vagy gázkeverékben lévő gáz halmazállapotú anyag esetében a tiszta anyag feltételezett gázfázisú állapota, amelyben az ideális gáz tulajdonságaival és standard nyomással rendelkezik R°. Ebben a kézikönyvben ez elfogadott R° \u003d 1,01325 × 10 5 Pa (1 atm).
tiszta folyékony vagy szilárd fázisra, valamint folyékony oldatos oldószerre - a tiszta anyag állapota a megfelelő aggregált állapotban standard nyomáson R°.
szilárd vagy folyékony oldatban lévő oldott anyag esetében az anyag feltételezett állapota egy standard koncentrációjú oldatban TÓL TŐL°, amely standard nyomáson végtelenül híg oldat tulajdonságaival rendelkezik (egy adott anyag esetében). R°. Standard koncentráció elfogadott TÓL TŐL° \u003d 1 mol / dm 3.
Sztöchiometrikus együtthatók megválasztása. A kémiai reakciók sztöchiometrikus együtthatói megmutatják, hogy ezek az anyagok milyen mólarányban reagálnak egymással. Például az A + B \u003d Z reakcióban a reagensek sztöchiometrikus együtthatói egyenlőek (abszolút értékben), ami azt jelenti, hogy 1 mol A maradék nélkül reagál 1 mol B-vel, és 1 mol Z-t képez. a bejegyzés nem változik, ha más egyenlő együtthatót választ. Például a 2A + 2B = 2Z egyenlet a reagensek közötti azonos sztöchiometrikus aránynak felel meg. Ezért általános esetben az n együtthatók én bármely reakció egy tetszőleges közös tényezőig definiálható. A fizikai kémia különböző szakaszaiban azonban eltérő konvenciókat alkalmaznak ennek a tényezőnek a megválasztására vonatkozóan.
A termokémiában az anyagok egyszerű anyagokból történő képződésének reakcióiban az együtthatókat úgy választják meg, hogy az 1-es együttható álljon a képződött anyag előtt Például a hidrogén-jodid képződésénél:
1/2H2 + 1/2I2 = HI
A kémiai kinetikában az együtthatókat úgy választják meg, hogy lehetőség szerint megfeleljenek a megfelelő reaktánsok reakciósorrendjének. Például a HI képződése elsőrendű H 2-ben és elsőrendű I 2-ben. Ezért a reakciót így írják le:
H 2 + I 2 ® 2HI
A kémiai egyensúlyok termodinamikájában az együtthatók megválasztása általában önkényes, de a reakció típusától függően előnyös lehet egyik vagy másik választás. Például a savas disszociáció egyensúlyi állandójának kifejezéséhez a savszimbólum előtt szokás az 1-gyel egyenlő együtthatót választani. Különösen a hidrogén-jodid savas disszociációjához válassza a
HI ƒ H + + I –
(HI előtti együttható 1).
Koncentráció jelölések. Ugyanazzal a szimbólummal a keverékben lévő komponens koncentrációja vagy tartalma eltérő jelentéssel bírhat. A koncentráció lehet egyensúlyi (egyensúlyi állapotban elért), áram (egy adott időpontban vagy a folyamat adott szakaszában fennálló) és bruttó vagy "analitikai". Ezek a koncentrációk változhatnak. Például, ha ecetsavanhidrid (CH 3 CO) 2 O oldatot készít vízben, 1 mol 100%-os ecetsavanhidridet vesz és vízzel 1 literre hígít, akkor a kapott oldat bruttó vagy analitikai koncentrációjú lesz. TÓL TŐL\u003d 1 mol / l (CH 3 CO) 2 O. Valójában az ecetsavanhidrid visszafordíthatatlan hidrolízisen megy keresztül ecetsavvá (CH 3 CO) 2 O + H 2 O ® 2CH 3 COOH, ezért jelenlegi koncentrációja 1 mol / értékről csökken l kezdeti időpontig körülbelül 0 mol/l egyensúlyi koncentráció eléréséig a reakció végén. Ezzel szemben az anhidrid teljes hidrolízise alapján azt mondhatjuk, hogy az oldat összkoncentrációja 2 mol/l CH 3 COOH (függetlenül a hidrolízis folyamatának szakaszától). A reakciótermék azonban ki van téve a CH 3 COOH ƒ CH 3 COO - + H + savas disszociációjának, így az oldat valós koncentrációja, beleértve a CH 3 COOH valós koncentrációját sem, nem egyenlő a bruttó koncentrációkkal. . A CH 3 COOH, CH 3 COO - és H + valós koncentrációit egyensúlyban egyensúlynak nevezzük. A vegyészek gyakran ugyanazt a jelölést használják TÓL TŐL minden ilyen típusú koncentrációra, feltételezve, hogy a megnevezés jelentése világos a szövegkörnyezetből. Ha szeretné hangsúlyozni a különbséget, akkor általában a következő jelölést használják a moláris koncentrációkra : TÓL TŐL a bruttó vagy analitikai koncentráció, [A] az A komponens áram- vagy egyensúlyi koncentrációja, és (néha) [A]e az A komponens egyensúlyi koncentrációja. Ez az index teszi lehetővé az egyensúlyi állandók, pl.