17.9:

17.9: Zmiany w darmowej energii dla stanów niestandardowych

Free Energy Changes for Nonstandard States

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Free Energy Changes for Nonstandard States

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

17.8: Calculating Standard Free Energy Changes

17.10: Free Energy and Equilibrium

10,761 Views

•

03:25 min

•

September 24, 2020

Overview

Zmiana energii swobodnej dla procesu zachodzącego z reagentami i produktami obecnymi w niestandardowych warunkach (ciśnienia inne niż 1 bar; stężenia inne niż 1 M) jest związana ze standardową zmianą energii swobodnej zgodnie z tym równaniem:

gdzie R jest stałą gazową (8,314 J/K·mol), T jest temperaturą bezwzględną w kelwinach, a Q jest ilorazem reakcji. Równanie to można wykorzystać do przewidywania spontaniczności procesu w dowolnych warunkach.

Iloraz Reakcji (Q)

Stan reakcji odwracalnej jest wygodnie oceniany poprzez ocenę jej ilorazu reakcji, Q. Dla reakcji odwracalnej opisanej przez

Iloraz reakcji wyprowadza się bezpośrednio ze stechiometrii równania zrównoważonego jako

gdzie indeks dolny c oznacza użycie stężeń molowych w wyrażeniu. Iloraz reakcji oparty na stężeniu, Q_c, jest używany do równowagi fazy skondensowanej. Jeżeli reagenty i produkty są gazowe, iloraz reakcji można podobnie wyprowadzić za pomocą ciśnień cząstkowych:

W normalnych warunkach stężenia reagenta i roztworu produktu wynoszą 1 M lub ciśnienie gazów wynosi 1 bar, a Q jest równe 1. W związku z tym w standardowych warunkach

W niestandardowych warunkach należy obliczyć Q.

Wartość liczbowa Q zmienia się w miarę jak reakcja zbliża się do równowagi, dlatego może służyć jako użyteczny wskaźnik stanu reakcji. Aby zilustrować ten punkt, rozważ utlenianie dwutlenku siarki:

Rozważmy dwa różne scenariusze eksperymentalne, jeden, w którym reakcja ta jest inicjowana samą mieszaniną reagentów, SO₂ i O₂, a drugi, który rozpoczyna się tylko od produktu, SO₃. Dla reakcji, która rozpoczyna się tylko od mieszaniny reagentów, Q jest początkowo równe zero:

Gdy reakcja postępuje w kierunku równowagi w kierunku do przodu, stężenia reagentów maleją (podobnie jak mianownik Q_c), stężenie produktu wzrasta (podobnie jak licznik Q_c), a w konsekwencji iloraz reakcji rośnie. Po osiągnięciu równowagi stężenia reagentów i produktów pozostają stałe, podobnie jak wartość Q_c.

Jeśli reakcja rozpoczyna się przy obecności tylko produktu, wartość Qc jest początkowo nieokreślona (nieporównywalnie duża lub nieskończona):

W takim przypadku reakcja przebiega w kierunku równowagi w odwrotnym kierunku. Stężenie produktu i licznik Q_c maleją z czasem, stężenia reagentów i mianownik Q_c rosną, a iloraz reakcji w konsekwencji maleje, aż stanie się stały w stanie równowagi.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 16.4: Wolna energia i Openstax, Chemia 2e, Rozdział 13.2: Stałe równowagi.

Transcript

Standardową zmianę energii swobodnej dla reakcji można określić tylko wtedy, gdy zachodzi ona w warunkach stanu standardowego – gdy zarówno reagenty, jak i produkty są w swoich stanach standardowych. Jednak większość reakcji chemicznych nie zachodzi w tych warunkach.

W każdych warunkach – standardowych lub niestandardowych – względna ilość produktów i reagentów obecnych w reakcji jest opisana przez iloraz reakcji Q.

W przypadku reakcji zachodzących w roztworze Q oblicza się ze stosunku stężenia produktu i reagenta, przy czym każde stężenie odczynnika podnosi się do potęgi jego współczynnika stechiometrycznego. W przypadku reakcji gazowych zamiast stężeń można stosować ciśnienia cząstkowe gazów.

Zmiana energii swobodnej reakcji jest równa sumie zmiany energii swobodnej w stanie standardowym dla reakcji, delta G zero i RT razy logarytm naturalny Q. Tutaj R jest uniwersalną stałą gazową w dżulach na mol kelwinów, a T jest temperaturą reakcji w kelwinach.

Przy stałej temperaturze energia swobodna w stanie standardowym ma stałą wartość, ale Q zmienia się, ponieważ zależy od składu mieszaniny reakcyjnej.

Rozważ syntezę gazowego amoniaku z azotu i wodoru w temperaturze 298 K. W warunkach normalnych, którymi dla gazu jest czysty gaz o sile 1 atm, ciśnienia cząstkowe wszystkich składników są równe 1 atm, a wielkość ilorazu reakcji jest równa 1.

Zatem zmiana energii swobodnej reakcji jest równa standardowej zmianie energii swobodnej reakcji, −32,8 kJ/mol, a reakcja naprzód jest spontaniczna.

W niestandardowych warunkach składniki mieszaniny reakcyjnej mogą początkowo mieć ciśnienie parcjalne 1,2 atmosfery azotu, 3,6 atmosfery wodoru i 0,60 atmosfery amoniaku.

Tak jak poprzednio, iloraz reakcji można określić na podstawie wartości ciśnień cząstkowych. Podstawiając Q do równania, energia swobodna reakcji wynosi −45,3 kJ/mol, co wskazuje na spontaniczną reakcję w kierunku do przodu.

W miarę postępu reakcji postępowej wytwarza się więcej amoniaku, a skład reakcji zmienia się.

Gdy reagenty i produkty są w równowadze, zmiana energii swobodnej dla reakcji wynosi zero, a wartość RT pomnożona przez logarytm naturalny Q jest równa i przeciwna w znaku do standardowej zmiany energii swobodnej.

Teraz, jeśli mieszanina reakcyjna zawiera 0,02 atmosfery azotu, 0,06 atmosfery wodoru i 4,8 atmosfery amoniaku, Q jest znacznie większe, a zmiana energii swobodnej wynosi 5,6 kJ/mol.

Dodatnia zmiana energii swobodnej wskazuje, że reakcja odwrotna jest energetycznie korzystna. Tak więc w tych warunkach amoniak rozkłada się, wytwarzając azot i wodór.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

Zmiany energii swobodnej warunki stanu standardowego iloraz reakcji stężenia reagentów współczynnik stechiometryczny reakcje gazowe ciśnienia cząstkowe stała gazu uniwersalnego temperatura zmiana energii swobodnej w stanie standardowym skład mieszaniny reakcyjnej synteza gazowego amoniaku