Obliczanie standardowych zmian energii swobodnej

21.1K views02:49 min

Standardową zmianę energii swobodnej dla reakcji chemicznej zachodzącej w warunkach standardowych można obliczyć na jeden z trzech sposobów.

Pierwsza metoda wykorzystuje równanie dla wzorca ΔG reakcji. Rozważ tworzenie węglanu wapnia z tlenku wapnia i dwutlenku węgla.

Standardową zmianę entalpii reakcji można obliczyć na podstawie ciepła tworzenia związków w reakcji, a standardową zmianę entropii można obliczyć na podstawie ich standardowych entropii molowych.

Korzystając z wartości z tabel odniesienia, można określić zmianę entalpii wzorcowej i zmianę entropii standardowej dla reakcji.

Podstawiając te wartości do równania na zmianę standardowej energii swobodnej, norma ΔG reakcji w temperaturze 298 K wynosi −130,7 × 10³ J.

W drugiej metodzie zmianę standardowej energii swobodnej reakcji oblicza się z różnicy między sumą swobodnych energii powstawania produktów pomnożoną przez ich współczynniki stechiometryczne a sumą swobodnych energii powstawania reagentów pomnożoną przez ich współczynniki stechiometryczne.

Weźmy na przykład reakcję między wodorem a chlorem gazowym, w wyniku której powstają dwa mole gazowego chlorowodoru.

Podobnie jak entalpia powstawania, standardowa energia swobodna powstawania czystego pierwiastka wynosi zero.

Zatem swobodne energie powstawania wodoru i chloru gazowego wynoszą zero, podczas gdy energia gazowego chlorowodoru wynosi −95,3 kilodżuli.

Tak więc energia swobodna tej reakcji jest równa 2 razy energii swobodnej tworzenia gazowego chlorowodoru, czyli −190,6 kilodżuli.

Przypomnijmy sobie prawo Hessa, że dla reakcji krokowej zmianę entalpii netto można obliczyć z sumy entalpii każdego kroku. Trzecia metoda oblicza zmianę energii swobodnej netto dla reakcji w podobny sposób.

Rozważ spalanie siarczku w celu wytworzenia metalicznego i gazowego dwutlenku siarki, które można przeprowadzić w dwóch etapach przy znanych standardowych wolnych energiach.

Dodanie zmian energii swobodnej reakcji daje całkowite ΔG wynoszące −98,8 kilodżuli.

Należy pamiętać, że krok 1 nie jest spontaniczny. Łącząc go z reakcją spontaniczną w kroku 2, reakcja netto ma ujemne ΔG, a zatem jest spontaniczna.

Overview

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zmiana energii swobodnej reakcji zachodzącej w standardowych warunkach pod ciśnieniem 1 bara i w temperaturze 298 K nazywana jest standardową zmianą energii swobodnej. Ponieważ energia swobodna jest funkcją stanu, jej wartość zależy tylko od warunków stanu początkowego i końcowego układu. Wygodnym i powszechnym podejściem do obliczania zmian energii swobodnej dla reakcji fizycznych i chemicznych jest wykorzystanie powszechnie dostępnych zestawień standardowych danych termodynamicznych. Jedna z metod polega na wykorzystaniu entalpii i entropii do obliczenia standardowych zmian energii swobodnej ΔG°, zgodnie z następującą zależnością.

Eq1

Standardową zmianę energii swobodnej reakcji można również obliczyć na podstawie podanych wartości energii swobodnej tworzenia ΔGf° reagentów i produktów biorących udział w reakcji. Standardowa energia swobodna powstawania to zmiana energii swobodnej towarzysząca tworzeniu się jednego mola substancji z jej pierwiastków w ich stanach wyjściowych. Podobnie jak w przypadku entalpii tworzenia, ΔGf° z definicji wynosi zero dla substancji elementarnych w standardowych warunkach stanu. Za reakcję

Eq2

standardową zmianę energii swobodnej w temperaturze pokojowej można obliczyć jako:

Eq3

Wykorzystanie energii swobodnej powstawania do obliczenia zmian energii swobodnej reakcji opisanych powyżej jest możliwe, ponieważ ΔG jest funkcją stanu, a podejście jest analogiczne do zastosowania prawa Hessa do obliczania zmian entalpii. Rozważmy na przykład odparowanie wody:

Eq4

Równanie reprezentujące ten proces można wyprowadzić dodając reakcje tworzenia dwóch faz wody (koniecznie odwracając reakcję dla fazy ciekłej). Zmiana energii swobodnej dla reakcji sumarycznej jest sumą zmian energii swobodnej dla dwóch dodanych reakcji:

Eq5

Metodę tę również zastosować w przypadkach, gdy reakcja niespontaniczna jest możliwa poprzez połączenie jej z reakcją spontaniczną. Na przykład produkcja cynku elementarnego z siarczku cynku jest niekorzystna termodynamicznie, na co wskazuje dodatnia wartość ΔG°1:

Eq6

Przemysłowy proces produkcji cynku z rud siarczkowych polega na połączeniu tej reakcji rozkładu z korzystnym termodynamicznie utlenianiem siarki:

Eq7

Sprzężona reakcja wykazuje ujemną zmianę energii swobodnej i jest spontaniczna:

Eq8

Proces ten jest zwykle przeprowadzany w podwyższonych temperaturach, więc wynik uzyskany przy użyciu standardowych wartości energii swobodnej jest jedynie szacunkowy. Istota obliczeń jest jednak prawdziwa.

Transcript