17.9
Le changement d'énergie libre standard pour une réaction ne peut être déterminé si elle se produit dans des conditions d'état standard quand les réactifs et les produits sont dans leur état standard. Cependant, la plupart des réactions chimiques ne se produisent dans ces conditions. Dans toutes les conditions standard ou non standard la quantité relative de produits et de réactifs présents dans une réaction est décrit par le quotient de réaction, Q.Pour les réactions survenant en solution, Q est calculé à partir du rapport des concentrations du produit et du réactif, avec chaque concentration de réactif augmentée à la puissance de son coefficient stoechiométrique.
Pour les réactions gazeuses, les pressions partielles des gaz peuvent être utilisés à la place des concentrations. Le changement d'énergie libre d'une réaction est égal à la somme du changement d'énergie libre de l'état standard pour la réaction, delta G nul, et RT multiplié par le log naturel de Q.Ici, R est la constante de gaz universelle en joules par mole-kelvin, et T est la température de la réaction en kelvin. À température constante, l'énergie libre à l'état standard a une valeur fixe, mais Q varie car il dépend de la composition du mélange réactionnel.
Considérez la synthèse de gaz ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène à 298 kelvin. Dans des conditions standard, qui pour un gaz est un gaz pur à 1 atm, les pressions partielles de tous les composants sont égaux à 1 atm, et la grandeur du quotient de réaction est égale à 1. Ainsi, le changement d'énergie libre de la réaction est égal au changement de l'énergie libre standard de réaction, négatif de 32, 8 kilojoules par mole, et la réaction directe est spontanée.
Dans des conditions non standard, les composants du mélange de réaction peut initialement avoir des pressions partielles de 1, 2 atmosphères d'azote, 3, 6 atmosphères d'hydrogène, et 0, 60 atmosphère d'ammoniac. Comme précédemment, le quotient de réaction peut être déterminé à partir des valeurs des pressions partielles. En remplaçant Q dans l'équation, l'énergie libre pour la réaction est négative de 45, 3 kilojoules par mole, indiquant une réaction spontanée directe.
Au fur et à mesure que la réaction avance, plus d'ammoniac est produit et la composition de la réaction change. Lorsque les réactifs et les produits sont en équilibre, le changement d'énergie libre pour la réaction est de zéro, et la valeur de RT multipliée par le logarithme naturel de Q est égal et opposé en signe au changement de l'énergie libre standard. Maintenant, si le mélange réactionnel contient 0, 02 atmosphère d'azote, 0, 06 atmosphère d'hydrogène et 4, 8 atmosphères ammoniacales, Q est beaucoup plus grand, et le changement d'énergie libre est de 5, 6 kilojoules par mole.
Un changement d'énergie libre positif indique que la réaction inverse est énergétiquement favorable. Ainsi, dans ces conditions, l'ammoniac se décompose pour produire de l'azote et de l'hydrogène.
La variation d'énergie libre pour un processus qui se déroule en ayant des réactifs et des produits présents dans des conditions non standard (pressio…
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