17.7:

17.7: Влияние температуры на свободную энергию

Effects of Temperature on Free Energy

JoVE Core
Chemistry

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

JoVE Core Chemistry

Effects of Temperature on Free Energy

17.6: Gibbs Free Energy

17.8: Calculating Standard Free Energy Changes

25,600 Views

•

02:11 min

•

September 24, 2020

Overview

Спонтанность процесса зависит от температуры системы. Фазовые переходы, например, будут действовать спонтанно в одном или другом направлении в зависимости от температуры данного вещества. Кроме того, некоторые химические реакции могут также проявлять зависящую от температуры спонтанность. Для иллюстрации этой концепции рассматривается уравнение, связывание свободного изменения энергии с изменениями энтальпии и энтропии процесса:

Спонтанность процесса, отраженная в арифметическом знаке его свободного изменения энергии, затем определяется признаками изменений энтальпии и энтропии и, в некоторых случаях, абсолютной температуры. Поскольку T является абсолютной (кельвин) температурой, она может иметь только положительные значения. Таким образом, существуют четыре возможности в отношении признаков энтальпии и изменений энтропии:

И ΔH, и ΔS являются положительными. Это условие описывает эндотермический процесс, который включает увеличение энтропии системы. В этом случае ΔG будет отрицательным, если величина термина TΔS больше ΔH. Если значение TΔS меньше ΔH, то изменение свободной энергии будет положительным. Такой процесс является спонтанным при высоких температурах и не спонтанным при низких температурах.
И ΔH, и ΔS отрицательны. Это условие описывает экзотермический процесс, который включает в себя снижение энтропии системы. В этом случае ΔG будет отрицательным, если величина термина TΔS меньше ΔH. Если величина термина TΔS больше ΔH, то изменение свободной энергии будет положительным. Такой процесс является спонтанным при низких температурах и не спонтанным при высоких температурах.
ΔH положительный, а ΔS отрицательный. Это условие описывает эндотермический процесс, который включает в себя снижение энтропии системы. В этом случае ΔG будет положительным независимо от температуры. Такой процесс не является спонтанным при любой температуре.
ΔH отрицательный, а ΔS положительный. Это условие описывает экзотермический процесс, который включает увеличение энтропии системы. В этом случае ΔG будет отрицательным независимо от температуры. Такой процесс является спонтанным при любой температуре.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 16.4: Free Energy.

Transcript

Чтобы реакция была самопроизвольной при постоянной температуре и давлении, изменение свободной энергии Гиббса, ΔG, должно быть меньше нуля. Знак ΔG зависит от знаков и относительных значений энтальпии, энтропии и температуры. Энтальпия способствует самопроизвольности, когда реакция выделяет тепло в окружающую среду, в то время как энтропия способствует самопроизвольности, когда в системе больше беспорядка.

Если ΔH отрицательно, а ΔS положительно, как в реакции между гидроксидом натрия и соляной кислотой, то ΔG отрицательно при всех температурах. Таким образом, экзотермические реакции, в которых энтропия системы возрастает, всегда являются самопроизвольными. Если и ΔH, и ΔS отрицательны, ΔG зависит от температуры.

Рассмотрим замерзание воды в лед, экзотермическую реакцию, при которой энтропия системы уменьшается. При температурах ниже точки замерзания вода самопроизвольно замерзает, выделяя тепло и становясь более упорядоченной. Таким образом, реакции с отрицательными изменениями энтальпии и энтропии протекают самопроизвольно только при низких температурах.

ΔG также зависит от температуры, если ΔH и ΔS положительны. Типичным примером является химический холодильник, в котором твердый нитрат аммония растворяется в воде, которая поглощает тепло из окружающей среды. Эта эндотермическая реакция протекает самопроизвольно при комнатной температуре из-за увеличения беспорядка в системе.

Таким образом, реакции с положительными изменениями энтальпии и энтропии происходят самопроизвольно только при более высоких температурах. Если бы температуру снизили так, что TΔS стало меньше, чем ΔH, то ΔG стало бы положительным, а сама реакция несамопроизвольной. Когда ΔH положительно, а ΔS отрицательно, ΔG всегда положительно, и реакция не является самопроизвольной для всех температур.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

температура свободная энергия свободная энергия Гиббса спонтанная реакция энтальпия энтропия экзотермическая реакция эндотермическая реакция беспорядок поглощение тепла