- •Министерство образования и науки
- •Предисловие авторов
- •Содержание
- •1 Химическая термодинамика
- •1.1 Первое начало термодинамики
- •1.1.1 Основные понятия и определения
- •1.1.2 Первое начало термодинамики
- •1.1.3 Теплоемкость
- •1.1.4 Работа и теплота термодинамических процессов
- •1.1.5 Типы тепловых эффектов
- •1.1.6 Способы определения тепловых эффектов при постоянной температуре
- •1.1.7 Зависимость теплового эффекта реакции от температуры
- •1.1.8 Примеры решения задач
- •1.1.9 Вопросы для самоконтроля
- •1.2 Второе начало термодинамики
- •1.2.1 Основные понятия и определения
- •1.2.2 Математическое выражение
- •1.2.3 Изменение энтропии как критерий обратимости и необратимости процессов
- •1.2.4 Критерии направленности процессов в реальных системах
- •1.2.5 Расчет изменения энтропии в различных процессах
- •1.2.6 Фугитивность и коэффициент фугитивности реальных газов
- •1.2.7 Химический потенциал идеального и реального газа
- •1.2.8 Примеры решения задач
- •1.2.9 Вопросы для самоконтроля
- •1.3 Химическое равновесие
- •1.3.1 Закон действующих масс
- •1.3.2 Способы выражения константы равновесия
- •1.3.3 Выражение состава равновесной смеси
- •1.3.4 Влияние различных факторов на смещение равновесия (на состав равновесной смеси)
- •1.3.5 Мера химического сродства. Направление самопроизвольного протекания химической реакции
- •1.3.6 Методы определения константы равновесия при различной температуре (из справочных данных)
- •1. Из термодинамических свойств веществ:
- •4. Из логарифмов констант равновесия реакций образования некоторых веществ, lgKaf.
- •1.3.7 Примеры решения задач
- •1.3.8 Вопросы для самоконтроля
- •2 Фазовые равновесия
- •2.1 Основные понятия и определения
- •2.2 Однокомпонентные системы
- •2.3 Примеры решения задач
- •2.4 Вопросы для самоконтроля
- •2.5 Двухкомпонентные системы
- •2.5.1 Термический анализ как часть физико-химического анализа
- •2.5.2 Равновесие раствор – кристаллический компонент
- •2.5.3 Кривые охлаждения
- •2.5.4 Диаграмма плавкости двухкомпонентной системы с простой эвтектикой
- •2.6 Диаграммы состояния с образованием химического соединения
- •2.6.1 Определение состава фаз и относительного количества фаз
- •2.6.2 Диаграмма состояния системы с устойчивым химическим соединением
- •2.6.3 Диаграмма состояния системы с неустойчивым химическим соединением (с перитектическим превращением)
- •2.7 Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью в жидком состоянии (с монотектическим превращением)
- •2.8 Твердые растворы
- •2.8.1 Диаграмма состояния с полной растворимостью в жидком и твердом состоянии
- •2.8.2 Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью в твердом виде
- •1. Диаграммы с эвтектическим превращением
- •2. Диаграмма с перитектическим превращением
- •2.8.3 Примеры разбора диаграмм
- •2.8.4 Вопросы для самоконтроля
- •Литература
1.3.5 Мера химического сродства. Направление самопроизвольного протекания химической реакции
Способность различных веществ, взаимодействовать между собой с образованием новых веществ, была замечена давно и получила название химического сродства. Однако, далеко не сразу был найден критерий, который мог быть мерой этого сродства. Вант-Гоффом было предложено в качестве меры химического сродства использовать максимальную работу, равную изменению энергии Гиббса, G (при P,Т=const), или энергии Гельмгольца, F (при V,T=const). Рассчитать величину химического сродства можно по уравнению изотермы химической реакции:
G = - RT(lnKp - ln) = - RTlnKp + RTln, (1.28)
где Kp - константа равновесия, в которую входят парциальные давления компонентов в момент равновесия:
,
а - парциальные давления компонентов до достижения равновесия, неравновесные, произвольно взятые.
Следует отметить, что давления, входящие в уравнение изотермы (1.28) являются относительными, , отнесенными к стандартному значению, следовательно, безразмерными. В качестве стандартного давления берется 1 атм. Если давлениеР взято в атмосферах, то численные значения величин Р и одинаковы. Если жеР взято в Паскалях, то Р0 = 1,013·105 Па и следует отнести давление к этой величине.
Второй член уравнения (1.28) обозначается
G = - RTlnKp + RTlnПрi (1.29)
В этом уравнении G - изменение энергии Гиббса при химическом превращении такого количества реагирующих веществ, которое соответствует стехиометрическому уравнению реакции, (это соответствует одному пробегу реакции). Превращение при этом должно протекать в столь большой массе смеси, что неравновесные давления остаются постоянными.
Проведем анализ уравнения изотермы химической реакции (1.29).
Если G 0, то Пpi Kp. Поскольку в ходе химического превращения система стремится к равновесному состоянию, следовательно значение Прi будет стремиться к значению Kp. В данном случае это приведет к росту количества продуктов (числитель Прi) и уменьшению количества исходных веществ (знаменатель Прi). Таким образом, при G 0 реакция идет в прямом направлении.
Если G 0, то Прi Kp и по мере течения реакции Прi будет уменьшаться, стремясь к значению Kp. Это приведет к уменьшению количества продуктов и увеличению количества исходных веществ, то есть при G 0 реакция пойдет влево.
Если G = 0, то Прi = Kp и система находится в состоянии равновесия.
Таким образом, для одних и тех же веществ сродство друг к другу зависит от исходных концентраций или давлений веществ, а не только от природы компонентов.
Чтобы сравнить сродство различных веществ, определяют изменение энергии Гиббса реакции в стандартных условиях, когда
атм. и
Тогда G= -RTln Kp. -уравнение нормального сродства.
Так для реакций:
.
Сравнение величин G показывает, что наибольшее сродство к кислороду проявляет кремний, наименьшее – сера.
1.3.6 Методы определения константы равновесия при различной температуре (из справочных данных)
Нахождение констант равновесия, чаще всего, сводится к нахождению ΔG0 и расчету Ка из уравнения .
Константы, полученные приведенными ниже способами, являются термодинамическими, Ка, следовательно, безразмерными.