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📜  吉布斯能量变化与平衡

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:10.461000             🧑  作者: Mango

吉布斯能量变化与平衡

能量可以有多种形式，包括物体运动产生的动能、物体位置产生的势能、由于温差从一个物体传递到另一个物体的热能、与阳光相关的辐射能、原电池产生的电能，储存在化学物质中的化学能，等等。所有这些不同类型的能量都可以从一种形式转变为另一种形式。

例如，当大坝水库中的水落下时，其势能转化为动能，如果将落下的水用于驱动涡轮机，则水的动能转化为电能。但是，如果水与大坝底部附近的岩石发生碰撞。物体的动能转化为热能。

结果，各种能量在数量上相互联系在一起。热力学是研究各种能量之间的这种定量关系。能量转移是物理和化学过程的结果。研究这些过程中的能量转变是热力学的主要焦点。

吉布斯能源

JW吉布斯 是一位美国理论家。他引入了一个新的热力学函数，称为吉布斯能量，记为 G。热力学第二定律指出，对于所有自发过程，ΔS总= (ΔS系统+ ΔS环绕) 必须为正。为了评估过程的自发性，必须确定两个熵变化，ΔS System和 ΔS Surrounding 。因此，在不考虑环境的情况下，仅根据系统的热力学特征来描述自发性的标准更为直接，这个问题被Gibbs解决了。

吉布斯能量 (ΔG) 在系统的初始和最终状态上的变化，而不是在连接这两个状态的路径上。恒温恒压下吉布斯能量的变化定义为：

吉布斯能量和自发性

总熵变可以写为，

ΔS总= ΔS系统+ ΔS周围= ΔS + ΔS surr

根据热力学第二定律，在恒定的温度和压力下，ΔS total > 0 表示该过程是自发的。如果ΔH是伴随反应的焓变，即系统的焓变，那么周围的焓变为（-ΔH）

所以，

ΔS surr = -ΔH / T

因此总熵由下式给出，

ΔS总= ΔS – ΔH / T

该等式表明，ΔS total仅根据系统的属性表示。

重新排列我们得到的方程，

-T ΔS总计= -T ΔS + ΔH

要么

-T ΔStotal = ΔH -T ΔS

结合上述两个方程，我们得到，

ΔG = -T ΔS总计

影响自发性的因素

考虑方程，

ΔG = ΔH – T ΔS

ΔG值决定了物理或化学变化是否会自发发生。方程 ΔH 和 ΔS 仅对应于系统的值。该方程表明，两种元素会影响反应的自发性

  • ΔH 是在恒定压力和温度下传递的热量，并且
  • ΔS 是分子无序的上升或下降。

自发过程有利于焓降低（-ΔH）和熵增加（ΔS），另一方面，非自发反应有利于焓增加（+ΔH）和熵减少（-ΔS）。方程中的温度项是确定焓和熵对 ΔG 贡献的相对相关性的重要组成部分。如果方程中的 ΔH 和 ΔS 都为正或均为负，则 ΔG 的符号以及反应的自发性取决于温度。

ΔH

ΔS

ΔG

Spontaneity of reaction

Negative

(exothermic)

Positive

Negative

Reactions are spontaneous at all temperatures.

Negative

(exothermic)

Negative

Negative or Positive

Reactions become spontaneous at low temperatures when |T. ΔS| < |ΔH|.

Positive

(endothermic)

Positive

Negative or Positive

Reactions become spontaneous at low temperatures when T.ΔS < ΔH.

Positive

(endothermic)

Negative

Positive

Reactions are non-spontaneous at all temperatures.

平衡温度

ΔG 和平衡常数

化学反应中的所有物质（反应物和产物）可能不是它们的正常形式。由于这种联系，反应吉布斯能量的变化与标准吉布斯能量的变化有关。

反应商的表达与平衡常数的表达类似，但它们之间只有一个区别，即平衡常数包括产物和反应物的平衡浓度或分压。而 Q 以反应物起始浓度分压和产物最终浓度或压力表示。

例如，请考虑以下示例：

aA +bB ⇢ cC + dD

对于上述反应，反应商由下式给出

Q_c = \frac{[C]^c \; [D]^d}{[A]^a \; [B]^b}

要么

Q_c = \frac{p^c_C \; \times \;p^d_D}{P^a_A \; \times \; p^b_A}

当浓度或分压值不是平衡值时。当反应达到平衡时，浓度和分压达到平衡值，此时Q = K。平衡时，ΔG = 0，Q = K，则标准吉布斯能量方程变为，

0 = ΔG° + RT ln K

因此，

该方程给出了反应的标准吉布斯能量变化与其平衡常数之间的关系。

示例问题

问题 1：确定对于给定的 ΔH 和 ΔS 值，反应是自发的还是非自发的。另外，说明它们是放热的还是吸热的。

  • ΔH = – 40 kJ 和 ΔS = +135 JK -1在 300K
  • ΔH = – 60 kJ 和 ΔS = -160 JK -1在 400K

解决方案：

问题 2：对于某个反应 ΔH = -25kJ 和 ΔS = -40J K -1 。在什么温度下它会从自发变为非自发。

解决方案;

问题 3：确定 ΔS total并确定以下反应是否在 298K 时是自发的。

ΔH° = -24.8 kJ，ΔS° = 15 JK -1

解决方案：

问题4：判断是否反应，

N 2 ​O 4 ​（克）⟶2NO 2 ​（克）

根据以下数据，在 298 K 时是自发的。

Δ f H° (N 2 O 4 ) = 9.16 kJ mol -1 , Δ f H° (NO 2 ) = 33.2 kJ mol -1

解决方案：

问题 5：确定反应的Kp ，

2SO 2 ​(g) + O 2 ​(g) ⟶ 2SO 3​ ( g)

在 298 K 时为 7.1 × 10 24。计算反应的 ΔG° (R = 8.314 JK -1 mol -1 )。

解决方案：

问题陈述 6：计算 513 K 反应的 K p ，

2NOCl (g) ⟶ 2NO(g) + Cl 2 ​(g)

ΔG° = 17.38 kJ mol -1 。

解决方案：