Уравнение изотермы химической реакции

Химическое сродство – это способность данных веществ вступать в химическое взаимодействие между собой. Мерой химического сродства является максимальная работа химической реакции. Чем больше A_max, тем больше химическое сродство этих веществ друг к другу. Химическое сродство принято характеризовать изменением энергии Гиббса: A_max = –G. Связь между концентрациями реагентов в равновесной смеси и общими условиями термодинамического равновесия устанавливает уравнение изотермы химической реакции:

, где - изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции, , K_p - константа равновесия химической реакции, - произведение начальных (неравновесных) концентраций и парциальных давлений:

Знак ΔG (ΔF) определяет возможность самопроизвольного протекания процесса в системе. Уравнение изотермы химической реакции позволяет рассчитать величину ΔG (ΔF) при переходе из любого состояния системы в равновесное, т.е. ответить на вопрос, будет ли химическая реакция протекать самопроизвольно при данных концентрациях С_i (давлениях Р_i) реагентов.

Определение направления процесса по изотерме химической реакции

Из уравнения изотермы химической реакции видно, что величина и знак энергии Гиббса зависят от соотношения величин K_P и П_С.

1. Если K_P < П_С, то G < 0 (A_max>0), процесс необратимый самопроизвольный.

2. Если K_P = П_С, то G = 0 (A_max=0), состояние химического равновесия.

3. Если K_P > П_С, то G > 0 (A_max<0), процесс необратимый не самопроизвольный.

Таким образом, при помощи уравнения изотермы химической реакции можно расчетным путем предсказать направление реакции, если известны константа равновесия и начальное содержание компонентов в системе.

Различные химические реакции можно сопоставлять по их способности к самопроизвольному протеканию при условии, что все участники реакции находятся в одинаковых (стандартных) состояниях (P_i = 1 атм., С_i = 1 моль/л). Тогда из уравнения изотермы химической реакции получают:

, где G⁰ - стандартная энергия Гиббса реакции. Это уравнение называют уравнением химического сродства (уравнением стандартной изотермы).

Влияние внешних условий на химическое равновесие

При постоянстве внешних условий система может находиться в состоянии равновесия сколь угодно долго. Если изменить эти условия (т.е. оказать на систему какое-либо внешнее воздействие), равновесие нарушается; в системе возникает самопроизвольный процесс, который продолжается до тех пор, пока система опять не достигнет состояния равновесия (уже при новых условиях). Рассмотрим, как влияют на положение равновесия некоторые факторы.

Влияние концентрации

1. В систему добавлено исходное вещество. В системе возникнет самопроизвольный химический процесс, направленный в сторону расходования исходных веществ и образования продуктов реакции (химическое равновесие смещается вправо).

2. В систему добавлен продукт реакции. Химическое равновесие будет смещено влево (в сторону расходования продуктов реакции и образования исходных веществ).

Влияние давления

Давление влияет на химическое равновесие в газовой фазе и равновесие гетерогенных реакций с участием газообразных веществ. Для выяснения зависимости константы равновесия от давления используется константа равновесия, выраженная через мольные доли компонентов Кх (Кр и Кс от давления не зависят). , следовательно:

а) если в ходе химической реакции число моль компонентов увеличивается (Δν > 0), то при повышении общего давления (Р) константа равновесия, выраженная через мольную долю (Кх), уменьшается. Равновесие сдвигается в сторону исходных веществ.

б) если в ходе химической реакции число моль компонентов уменьшается (Δν < 0), то при повышении общего давления (Р) константа равновесия, выраженная через мольную долю (Кх), увеличивается. Равновесие сдвигается в сторону продуктов реакции.

в) если в ходе химической реакции число моль компонентов не меняется (Δν = 0), то изменение давления не влияет на положение равновесия химической реакции.

Аналогично трактует влияние давления и принцип Ле-Шателье: при повышении давления равновесие сдвигается в сторону образования веществ, занимающих меньший объем.

Необходимо отметить, что изменение концентрации или давления, смещая равновесие, не изменяет величину константы равновесия, которая зависит только от природы реагирующих веществ и температуры.