Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Для неизолированных систем нужно учитывать не только изменение энтропии, но и изменение энергии. Поэтому необходимо рассматривать две тенденции, определяющие направление самопроизвольно протекающих процессов:
Стремление системы к достижению минимума энергии;
Стремление системы к максимуму энтропии, т.е. к неупорядоченности.
Таким образом, изменение энтропии является однозначным критерием самопроизвольности реакции, протекающей в изолированной системе:
∆S>0 – реакция протекает самопроизвольно;
∆S=0 - реакция находится в состоянии равновесия;
∆S<0 – реакция самопроизвольно не протекает.
Энергия Гиббса и направление химических реакций.
Биохимические реакции обычно происходят при изобарно- изотермических условиях. В этих условиях энергетическое состояние системы характеризуется энтальпией, а мерой неупорядоченности системы будет произведение температуры и энтропии. Функцией, учитывающей обе эти характеристики и противоположность в тенденции их изменения при самопроизвольных процессах, является свободная энергия Гиббса.
Энергия Гиббса (или изобарно – изотермический потенциал) является обобщенной функцией состояния системы, учитывающей энергетику и неупорядоченность системы при изобарно – изотермических условиях.
Названа она в честь одного из основателей химической термодинамики, американского ученого Джозайи Уилларда Гиббса (1839 – 1903).
Изменение энергии Гиббса для биохимических процессов в условиях, отличных от стандартных, можно рассчитать на основе экспериментальных значений ∆Н и ∆S для этих процессов по уравнению:
∆G =∆Н - Т∆S,
где ∆Н - характеризует полное изменение энергии системы при p,T = const и отражает стремление системы к минимуму энергии (энтальпийный фактор);
Т∆S – характеризует ту часть энергии, которую нельзя превратить в работу, и отражает стремление системы к максимуму неупорядоченности (энтропийный фактор);
∆G – характеризует ту часть энергии, которую можно перевести в работу, и является термодинамическим критерием самопроизвольного протекания любых процессов при p,T = const.
Если в уравнение для расчета свободной энергии Гиббса ввести значение ∆Н°р. и ∆S°р., найденные с использованием следствия из закона Гесса, то мы получаем формулу для расчета ∆G реакции, протекающей в стандартных условиях:
∆G°p.f=∑νj∆G°j - ∑νi∆G°i
где∆G°j, ∆G°i – значения энергии Гиббса продуктов реакции и исходных веществ, νj,νi - соответствующие стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции.
В термодинамических расчетах используют значения энергии Гиббса, измеренные при стандартных условиях (∆G°, кДж/моль). Данные величины приведены в справочниках термодинамических величин. Для простых веществ в термодинамически устойчивой форме стандартная энергия Гиббса их образования принята равной нулю.
Таблица 12.
Значение ∆G°f 298 некоторых соединений.
Молекулярная формула | ∆G°f 298, кДж/моль | Молекулярная формула | ∆G°f 298, кДж/моль |
О2 (г) | HF(г) | -275.41 | |
НCl(г) | -95.3 | HI(г) | 1.58 |
H2O(ж) | -228.61 | CH4 (г) | -50.85 |
CO2(г) | -394.37 | C6H6(ж) | 124.38 |
CO(г) | -137.15 | NO2 (г) | 52.29 |
NO(г) | 87.58 | NH3 (г) | -16.48 |
HCN(г) | 121.58 | NaСl(кр.) | -384.13 |
Рассчитав ∆G химической реакции, можно не производя экспериментов, дать ответ о принципиальной (термодинамической) возможности (или невозможности) ее протекания:
∆G<0 – реакция протекает самопроизвольно;
∆G=0 – реакция находится в состоянии равновесия;
∆G>0 – несамопроизвольная реакция (самопроизвольна обратная реакция).
Знак ∆G, а значит, и самопроизвольность реакции зависит от величины соотношения ∆Н и Т∆S. Самопроизвольное осуществление реакции (∆G<0) возможно в следующих случаях:
1) ∆Н<0 (экзотермический процесс) и в то же время |∆Н |>| Т∆S |, т.е. при экзотермических процессах знаки ∆Н и ∆G совпадают, что означает возможность протекания процесса независимо от знака ∆S;
2) ∆Н>0 (эндотермический процесс) и |∆Н |<| Т∆S |, тогда возрастание энтальпии компенсируется значительно большим ростом энтропийного фактора, что осуществимо при высоких температурах или при реакциях с участием газовой фазы, когда наблюдается значительное увеличение энтропии. Этим и объясняется возможность протекания эндотермических реакций, что не согласуется с принципом Бертло о самопроизвольности только экзотермических реакций. Судить о направлении процесса по знаку изменения энтальпии в соответствии с этим признаком можно лишь: а) при низких температурах (при Т→0, Т∆S→0, и Т∆S<< ∆Н), когда знаки изменения свободной энергии и энтальпии совпадают; б) в конденсированных системах, в которых в процессе взаимодействия энтропия меняется незначительно, (беспорядок не может существенно возрасти, если, например, одно кристаллическое вещество превращается в другое кристаллическое вещество). Поэтому при низких температурах и в конденсированных системах возможно лишь протекание экзотермических реакций (∆G<0, когда ∆Н<0).
Возможность протекания реакции в зависимости от знака ∆Н и ∆S и температуры суммарно можно выразить в таблице:
Таблица 13.
Знак ∆Н | Знак ∆S | Знак ∆G | Самопроизвольность реакции | Пример |
- | + | Всегда «-» | Самопроизвольна при любых температурах | 2О3 (г)→ 3О2 (г) |
+ | - | Всегда «+» | Несамопроизвольна при любых температурах | 3О2 (г)→2О3 (г) |
- | - | «-» при низких температурах «+» при высоких температурах | Самопроизвольна при низких температурах, несамопроизвольна при высоких температурах | 2Н2 (г)+О2 (г)→ →2Н2О(г) |
+ | + | «+» при низких температурах, «-» при высоких температурах | Несамопроизвольна при низких температурах, самопроизвольна при высоких температурах | 2Н2О(г)→ →2Н2 (г)+О2 (г) |
Второй закон термодинамики для любых систем формулируется следующим образом:
В системе при постоянной температуре и давлении самопроизвольно могут совершаться только такие процессы, в результате которых энергия Гиббса уменьшается, т.е. ΔGкон > ΔGнач, или ΔG < 0.
Для закрытых термодинамических систем наряду со свободной энергией Гиббса ∆G (изобарно-изотермический потенциал) в изохорных условиях (V = const) применяют функцию состояния системы энергию Гельмгольца (F) (изохорно– изотермический потенциал ). В химии энергия Гиббса имеет более широкое применение, чем энергия Гельмгольца, так как химические процессы чаще протекают при постоянном давлении, а не при постоянном объеме.
Энергия Гельмгольца находится по формуле:
F = U – T∙S, где U- внутренняя энергия системы
Энергия Гельмгольца характеризует работоспособность системы, т.е. определяет ту часть энергии, которая в изохорно-изотермическом процессе превращается в работу.
Энергию Гиббса можно выразить через энергию Гельмгольца следующим образом:
G = U + pV – TS = F + pV
Оба рассмотренных термодинамических потенциала являются функциями состояния, зависят от природы веществ – участников реакции, их массы и температуры. Кроме того, энергия Гиббса зависит от давления, а энергия Гельмгольца – от объема системы. Абсолютные значения термодинамических потенциалов неизвестны, а для расчетов пользуются обычно изменениями потенциалов (∆G и ∆F).
Дата публикования: 2015-01-23; Прочитано: 1142 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!