Номер 299, страница 338 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.299. В ходе реакции термодинамические функции системы изменяются и, значит, зависят от времени. Для реакции А ⟶ Р (неважно, обратимой или необратимой) постройте качественный график зависимости полной энергии Гиббса системы А + Р от времени. Начальное значение можно выбрать произвольным, поскольку у энергии Гиббса нет единой точки отсчёта. Объясните вид графика.

Решение

Энергия Гиббса системы ($G$) является термодинамическим потенциалом, который характеризует состояние системы при постоянных температуре и давлении. Согласно второму закону термодинамики, любой самопроизвольный процесс в таких условиях протекает в направлении уменьшения энергии Гиббса. Химическая реакция является таким процессом, поэтому ее протекание во времени сопровождается изменением полной энергии Гиббса системы.

Рассмотрим качественный вид графика зависимости полной энергии Гиббса системы $G$ от времени $t$ для реакции $A \to P$.

1. Начальное состояние (при $t = 0$)
   В начальный момент времени система состоит только из исходного вещества (реагента) A. Полная энергия Гиббса системы имеет некоторое начальное значение, которое мы обозначим как $G_0$. На графике это точка на оси ординат.

2. Протекание реакции (при $t > 0$)
   Как только реакция начинается, реагент A начинает превращаться в продукт P. Поскольку реакция протекает самопроизвольно, полная энергия Гиббса системы должна уменьшаться. Это означает, что кривая на графике $G(t)$ будет идти вниз. Математически это условие можно записать как производную энергии Гиббса по времени: $dG/dt < 0$.

3. Изменение скорости реакции
   Скорость химической реакции не является постоянной. В начале, когда концентрация реагента A максимальна, скорость реакции наибольшая. Соответственно, и энергия Гиббса уменьшается с максимальной скоростью. Это отражается на графике в виде наиболее крутого отрицательного наклона кривой вблизи $t=0$.
   По мере расходования реагента A и накопления продукта P, скорость прямой реакции замедляется. Если реакция обратима ($A \rightleftharpoons P$), то также начинает расти скорость обратной реакции. В результате общая скорость превращения реагентов в продукты падает, и система приближается к своему конечному состоянию. Замедление реакции означает, что скорость уменьшения энергии Гиббса также падает. На графике это проявляется в том, что наклон кривой становится все более пологим.

4. Конечное состояние (при $t \to \infty$)
   По прошествии достаточно большого времени система достигает своего конечного состояния.

   • Для необратимой реакции это означает, что весь реагент A превратился в продукт P.
   • Для обратимой реакции это означает достижение состояния химического равновесия, при котором в системе присутствует как реагент A, так и продукт P в определенных равновесных концентрациях.
   В обоих случаях макроскопические изменения в системе прекращаются, состав смеси больше не меняется, и, следовательно, полная энергия Гиббса достигает своего минимально возможного значения $G_{конечн}$ и остается постоянной. На графике это выглядит как горизонтальная асимптота, к которой стремится кривая при $t \to \infty$.

Таким образом, качественный график зависимости $G(t)$ представляет собой убывающую кривую, которая начинается от значения $G_0$ и асимптотически приближается к минимальному значению $G_{конечн}$.

Ниже представлен качественный вид графика:

Ответ:

График зависимости полной энергии Гиббса системы ($G$) от времени ($t$) для реакции $A \to P$ представляет собой плавно убывающую кривую. Кривая начинается при $t=0$ со значения $G_0$ (энергия Гиббса чистых реагентов) и асимптотически приближается к горизонтальной линии $G = G_{конечн}$ при $t \to \infty$. Уменьшение $G$ со временем является следствием самопроизвольности химической реакции ($dG/dt < 0$). Уменьшение крутизны наклона кривой с течением времени объясняется замедлением скорости реакции по мере приближения системы к конечному состоянию (полному превращению реагентов для необратимой реакции или состоянию равновесия для обратимой реакции).