Энергия Гиббса

Энергия Гиббса.

Энтальпией или теплотой образования вещества называется тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ при стандартных условиях.

В тех случаях, когда энтальпию  экспериментально определить невозможно, её величину определяют с помощью  термохимических расчётов, в основе которых лежит закон Гесса.

Закон Гесса: тепловой эффект реакции не зависит от пути её протекания, а зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов.

Согласно закону Гесса, тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ:

Энтропия – это логарифмическое  выражение вероятности существования  веществ или их состояний:

S=R InW,

где  R – газовая постоянная.

       W – вероятность состояния.

Энтропию можно только рассчитать, но не измерить. Энтропия зависит от всех видов движения частиц, составляющих молекулу. Поэтому, энтропия возрастает в процессах, вызываемых движением частиц, т.е. при нагревании, испарении, плавлении, разрыве связей между атомами и т.п. Наоборот, упрочнение связей, охлаждение, конденсация, кристаллизация, полимеризация – процессы, связанные с упорядочением системы, с уменьшением энтропии.

Энтропия является функцией состояния  системы. Её изменение зависит не от пути процесса, а лишь от значения энтропии в начальном и конечном состояниях.

Энтропия пропорциональна массе  вещества. Её обычно относят к одному моль вещества и выражают в Дж/моль.К. Энтропия, отнесённая к температуре 25 С (298 К) и давлению, равному 1 атм, называется стандартной (S).

Энтропия совершенного кристалла  любого вещества при Т=0 К равна нулю. Это положение известно как третий закон термодинамики.

Для реакций, протекающих при постоянной температуре и давлении, движущей силой является энергия Гиббса (G), называемая также изобарно – изотермическим потенциалом, изобарным потенциалом или свободной энтальпией. Энергия Гиббса показывает возможность протекания реакции.

Энергия Гиббса связана с энтальпией, энтропией и температурой:

G=H - TS.

Изменение энергии Гиббса (G) в реакции равно:

G=   H - TS.

Это очень важное термодинамическое  уравнение, которым пользуются для  определения направленности химических процессов.

При постоянной температуре  и давлении химические реакции протекают  самопроизвольно только в направлении  уменьшения энергии Гиббса в системе (т.е. если   G > 0, самопроизвольное протекание реакции невозможно). Это положение вытекает из второго закона термодинамики, который гласит: «Что теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому, возможен лишь обратные процесс».

Из уравнения    G=  H-T  S следует, что возможность самопроизвольного протекания химических реакций зависит от соотношения   H и T  S.

 

Если   H < 0,   S > 0 , то энергия Гиббса всегда будет величиной отрицательной (G < 0) и реакция будет проходить самопроизвольно при любой температуре.

Если   H > 0,   S < 0, то всегда   G > 0 и реакция невозможна при любых температурах.

Если   H > 0,   S > 0, то реакция возможна только при высоких температурах.

Если   H < 0,   S < 0, то реакция возможна только при низких температурах.

Для сопоставления различных реакций  обычно пользуются стандартными энергиями  Гиббса образования   G т.е. изменением энергии Гиббса при образовании 1 моля соединения из простых веществ, устойчивых при стандартных условиях. G сложных веществ из простых выражают в кДж/моль.

Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому изменение её зависит  лишь от природы и физического  состояния исходных веществ и  продуктов реакции, но не зависит  от промежуточных стадий реакции:

 

Задача №1

Какие из оксидов (SnO, Fe2O3) могут быть восстановлены водородом до свободного металла при 298К? Определите Gх.р.?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                            Химическое равновесие.

Химическое равновесие можно определить как такое состояние системы  реагирующих веществ, при котором  скорости прямой и обратной реакции  равны между собой, а отношение  констант этих скоростей называется константой равновесия.

На состояние химического равновесия оказывает влияние концентрация реагирующих веществ, температура, а для газообразных веществ и  давление. При изменении одного из этих параметров равновесие нарушается и концентрация всех реагирующих веществ изменяется до тех пор, пока не установится новое равновесие, но уже при иных значениях равновесных концентраций. Подобные переход реакционной системы от одного состояния равновесия к другому называется смещением (или сдвигом) химического равновесия. Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в  равновесии, производится какое –  либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то она благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие.

1. С увеличением температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции.
2. С увеличением давления равновесие смещается в сторону меньшего объёма.
3. С увеличением объёма равновесие смещается в сторону большего объёма.
4. С увеличением концентрации реагирующих веществ равновесие смещается в сторону конечных продуктов.

 

Задача №2

В реакции, протекающей по уравнению

CO(r) + 2H2(r) = CH3OH (Ж) + 128кДж, вычислить равновесную температуру (н.у)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   

 

                                                                 Концентрация.

Концентрацию веществ в растворах  можно выразить разными способами. Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества, молярную и нормальную концентрацию.

Массовая доля растворённого  вещества w – это безмерная величина, равная отношению массы растворённого вещества к общей массе раствора m:

w = m    / m     100%

Массовую долю растворённого вещества w, обычно выражают в долях единицы или в процентах.

Молярная концентрация С   показывает, сколько моль растворённого вещества содержится в 1 литре раствора.

С  = m    / M        V

где М     - молярная масса  растворённого вещества (г/моль).

Концентрацию раствора можно выразить количеством молей растворённого  вещества в 1000г растворителя. Такое  выражение концентрации называют молярностью раствора.

Нормальность раствора обозначает число грамм – эквивалентов данного вещества в одном литре раствора или число миллиграмм – эквивалентов в одном миллилитре раствора.

C  = m     / Э      V

где Э      - эквивалент  растворённого вещества (г).

Грамм – эквивалентом вещества называется количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту. Для сложных веществ – это количество вещества, соответствующее прямо или косвенно при химических превращениях 1 грамму водорода или 8 граммам кислорода.

 

Задача №3

Для приготовления 5%-ного (по массе) раствора MgSO4 взято 400г MgSO4 7H2O.

Найти массу полученного  раствора и рассчитать его молярность и нормальность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               Коллоидные растворы.

Коллоидная химия изучает  свойства как тонко, так и грубодисперсных  систем; как свободно- , так и связнодисперсных систем.

Коллоидные растворы – это раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400 – 300 нм до 1 нм. Эти частицы невидимы в оптический микроскоп.

Существует два вида получения  коллоидных растворов:

1. Механический – дробление (диспергирование) грубодисперсных систем до коллоидного состояния.

Грубодисперсные системы – это системы с размером частиц, которые мы видим и ощущаем.

2. Химический – укрупнение частиц из молекулярного состояния в коллоидное.

Молекулярные растворы – это истинные растворы с размером частиц  < 10     , они невидимы невооружённым глазом.

Обязательным условием получения  коллоидных растворов химическим способом являются:

1. Взаимная нерастворимость веществ, т.е. одно из веществ должно выпадать в осадок.
2. Один из реагентов должен быть в избытке.

Для примера рассмотрим: AgNO  + KBr      AgBr   + KNO  .

 

Пусть в избытке у нас будет KBr, тогда нерастворимые частицы AgBr  не будут осаждаться на дно, а будут диспергировать во всём объёме. Это достигается за счёт строения коллоидных частиц.

Ядром коллоидной частицы является нерастворимое вещество AgBr . На поверхности ядра абсорбируются те ионы, которые находятся в избытке и имеют одинаковый элемент с ядром, т.е.

Br  - потенциалопределяющие ионы.

K  - противоионный слой.

Твёрдая фаза (коллоидная частица) с  диффузным слоем составляют мицеллу. Мицелла всегда электронейтральна, а твёрдая фаза (коллоидная частица) заряжена. Заряд коллоидной частицы определяется зарядом потенциалопределяющих ионов.

[[m(AgBr  )] n Br  (n-x) K  y H  O]   x K  zH  O.

Коллоидные частицы являются ультрамикроскопическими  кристалликами. Кристаллики AgBr, полученные в результате реакции KBr взятого в избытке с AgNO   и находящиеся в растворе бромида калия (KBr), испытывают тенденцию к росту. Из ионов K  и Br , присутствующих в растворе, только ион Br  способен достраивать кристалл, т.к. имеет одинаковый элемент с ядром. Достройка кристалла ионом Br может продолжаться только до тех пор, пока этим ионом не будут закрыты на кристаллической поверхности все ионы Ag , которые только и могут воздействовать с ионом Br  вследствие разноимённости зарядов. Когда на кристаллической поверхности все ионы Ag будут закрыты ионами Br  , ядро AgBr прекратит свой рост не достигнув размера, достаточного для осаждения, т.к.взятым в избытке ионам Br   уже ничего не будет закрывать. Поэтому частицы AgBr не оседают на дно, а равномерно распределяются во всём объёме. В этом и состоит особенность строения коллоидных частиц.

Достройка кристалла AgBr имеет место и тогда, когда кристалл находится в растворе AgNO  . в этом случае ионом, достраивающим поверхность, будет ион Ag , который придаст кристаллу уже положительный заряд.

Как и химическая, так  и физическая теория строения мицеллы  приводит к одним и тем же выводам, а именно к тому, что ионы электролита  – стабилизатора препятствуют дальнейшему  росту кристаллика, сообщают ему  заряд и тем самым способствуют агрегативной устойчивости коллоидной системы.

 

Задача№4

При взаимодействии водного  раствора перманганата калия с раствором  тиосульфата натрия образуется золь диоксида марганца. Напишите уравнение  окислительно-восстановительной реакции  и формулу мицеллы золя диоксида марганца.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Керамика.

Керамические изделия  широко представлены в быту и строительстве. Слово керамика настолько прочно вошло в русский язык, что мы удивляемся, когда узнаем, что оно  иностранного происхождения. На самом  же деле слово керамика берет свое начало из Греции. Греческое слово  keramos означает – глиняная посуда. Керамические изделия издревле получали обжигом глин или их смесей с определенными минеральными добавками. Раскопки показывают, что керамические изделия производятся человеком с эпохи неолита (8...3 тыс. лет до н.э.). Поскольку глины весьма распространены в природе, гончарное ремесло широко и часто независимо развивалось в различных частях света, относительно легко перенималось и распространялось.

Глины – несцементированные осадочные породы с преобладанием  определенных минералов, которые по химическому составу являются гидроалюмосиликатами. Геологи различают около шестидесяти различных видов глин. В настоящее время считают, что для глинистых минералов характерно наличие слоев, включающих атомы кремния, окруженные четырьмя атомами кислорода [SiO4], и атомы алюминия, окруженные шестью атомами кислорода [AlO6]. Основными свойствами глин являются пластичность и огнеупорность. Порошок глины, замешанный с водой, образует вязкое тесто, способное формоваться и сохранять приданную ему форму. Обожженное в огне тесто приобретает каменистую твердость и крепость. На этих двух свойствах глины зиждется керамическая промышленность – одна из самых древних на Земле и в прошлом одна из самых важных по своему значению для прогресса человека.

Еще в древние времена  было установлено, что хорошая связанность  и вязкость глины, идущей на изготовление керамических изделий, достигается  ее промораживанием. Для этого глину помещают в бурты высотой 0,7...0,8 м, поливают водой и закрывают землей. Например, для производства высококачественной черепицы промораживание в буртах проводят до семи лет.