Номер 4, страница 134 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 19. Направление протекания химических реакций. Понятие об энтропии - номер 4, страница 134.

Условие.

4. Как рассчитать изменение свободной энергии Гиббса в ходе химической реакции? Какой вывод можно сделать по знаку данной термодинамической функции?

Решение.

Решение 2.

Как рассчитать изменение свободной энергии Гиббса в ходе химической реакции?

Изменение свободной энергии Гиббса ($ΔG$) — это термодинамическая функция, которая показывает, какая часть энергии системы может быть преобразована в полезную работу при постоянной температуре и давлении. Расчет $ΔG$ позволяет определить принципиальную возможность протекания химической реакции.

Основной способ расчета — это использование уравнения Гиббса:

$ΔG = ΔH - TΔS$

Здесь $ΔH$ — это изменение энтальпии (тепловой эффект реакции), $\text{T}$ — абсолютная температура в Кельвинах, а $ΔS$ — изменение энтропии (меры беспорядка системы). Эта формула объединяет два фундаментальных фактора, движущих процесс: стремление системы к минимуму энергии (энтальпийный фактор, $ΔH$) и стремление к максимуму беспорядка (энтропийный фактор, $TΔS$).

Для практических расчетов при стандартных условиях (T=298 К, P=1 атм) используют справочные данные. Существует два подхода:

Первый способ: Расчет через стандартные энтальпии и энтропии. Сначала, используя следствие из закона Гесса, находят $ΔH^o_{реакции}$ и $ΔS^o_{реакции}$:

$ΔH^o_{реакции} = \sum n_{p} ΔH^o_f(\text{продукты}) - \sum n_{r} ΔH^o_f(\text{реагенты})$

$ΔS^o_{реакции} = \sum n_{p} S^o(\text{продукты}) - \sum n_{r} S^o(\text{реагенты})$

Здесь $ΔH^o_f$ — стандартная энтальпия образования, $S^o$ — стандартная абсолютная энтропия, а $n_p$ и $n_r$ — стехиометрические коэффициенты продуктов и реагентов соответственно. Затем полученные значения подставляют в уравнение Гиббса: $ΔG^o = ΔH^o - TΔS^o$.

Второй способ: Прямой расчет через стандартные энергии Гиббса образования ($ΔG^o_f$). Этот метод удобнее, если известны соответствующие справочные величины:

$ΔG^o_{реакции} = \sum n_{p} ΔG^o_f(\text{продукты}) - \sum n_{r} ΔG^o_f(\text{реагенты})$

Для простых веществ в их устойчивом состоянии ($O_2$, $N_2$, $C_{графит}$ и т.д.) значения $ΔH^o_f$ и $ΔG^o_f$ принимаются равными нулю.

Ответ: Изменение свободной энергии Гиббса ($ΔG$) рассчитывается по формуле $ΔG = ΔH - TΔS$. В стандартных условиях его можно вычислить, используя справочные данные стандартных энтальпий и энтропий, либо напрямую по формуле, основанной на стандартных энергиях Гиббса образования веществ: $ΔG^o_{реакции} = \sum n_p ΔG^o_f(\text{продукты}) - \sum n_r ΔG^o_f(\text{реагенты})$.

Какой вывод можно сделать по знаку данной термодинамической функции?

Знак изменения свободной энергии Гиббса ($ΔG$) является критерием самопроизвольности протекания химической реакции при постоянной температуре ($\text{T}$) и давлении ($\text{P}$).

1. Если $ΔG < 0$, то прямая реакция является самопроизвольной (термодинамически возможной). Система при этом переходит в более устойчивое состояние, и процесс может протекать без подвода энергии извне. Такие реакции называют экзергоническими.

2. Если $ΔG > 0$, то прямая реакция в данных условиях несамопроизвольна (термодинамически невозможна). Для ее осуществления требуется затрата внешней энергии. Однако в этих условиях самопроизвольно протекает обратная реакция. Такие реакции называют эндергоническими.

3. Если $ΔG = 0$, система находится в состоянии химического равновесия. Это означает, что скорости прямой и обратной реакций равны, и макроскопических изменений в системе не происходит.

Важно отметить, что $ΔG$ характеризует только термодинамическую возможность, но не скорость реакции. Реакция с $ΔG < 0$ может быть настолько медленной, что практически не идет (например, из-за высокой энергии активации).

Ответ: По знаку $ΔG$ судят о направлении самопроизвольного протекания процесса: при $ΔG < 0$ реакция самопроизвольно идет в прямом направлении; при $ΔG > 0$ — в обратном направлении; при $ΔG = 0$ система находится в равновесии.