Энергия Гиббса реакции

Энергией Гиббса реакции называется изменение энергии Гиббса ΔG при протекании хими­ческой реакции. Так как энергия Гиббса системы G = Н - TS, её изменение в процессе определяется по формуле: ΔG = ΔH-TΔS (4.1)

где Т - абсолютная температура в Кельвинах.

Энергия Гиббса химической реакции характеризует возможность её самопроизвольного проте­канияпри постоянных давлении и температуре. Если ΔG<0, то реакция может протекать самопроиз­вольно, при ΔG>0 самопроизвольное протекание реакции невозможно, если же ΔG = 0, система на­ходится в состоянии равновесия.

Для расчёта энергии Гиббса реакции по формуле (4.1) отдельно определяются ΔН и ΔS. При этом в практических расчётах пользуются приближениями (2.4) и (3.4).

Пример 4.1. Расчёт энергии Гиббса реакции, выраженной уравнением 4NH ₃(г) + 5O₂ (г) = 4NO(г) + + 6Н₂O(г), при давлении 202.6 кПа и температуре 500°С (773К).

Согласно условию, реакция протекает при практически реальных значениях давления и темпе­ратуры. при которых допустимы приближения (2.4) и (3.4), т.е.

Δ Н₇₇₃  ≈ Δ Н⁰₂₉₈ = - 904.8 кДж = - 904800 Дж. (см. пример 2.2),

а Δ S₇₇₃ ≈ Δ S⁰₂₉₈ = 179,77 Дж/К. (см. пример 3.1).

После подстановки значений Δ H⁰₂₉₈ и Δ S°₂₉₈ в формулу (4.1) получаем:

Δ G₇₇₃ = Δ H₇₇₃ -773 Δ S₇₇₃  ≈ Δ Н⁰₂₉₈ -773 Δ S⁰₂₉₈ = - 904800 – 773*179, ≈ 1043762 Дж = - 1043,762 кДж.

Полученное отрицательное значение энергии Гиббса реакции Δ G₇₇₃ указывает на то, что дан ная реакция в рассматриваемых условиях может протекать самопроизвольно.

Если реакция протекает в стандартных условиях при температуре 298К, расчёт её энергии Гиббса (стандартной энергии Гиббса реакции) можно производить аналогично расчёту стандартной теплоты реакции по фрмуле, котораядля реакции, выраженной уравнением аА + ЬВ = сС + dD, имеет вид:

ΔG^°298 = (cΔG^°298,o6p,C + dΔG^°298,o6p,D) - (aΔG 298,обрА + bΔG° 298,обр,в) (4.2)

где Δ G ^°298, o6p. - стандартная энергия Гиббса образования соединения в кДж/моль (табличные значе­ния) - энергия Гиббса реакции, в которой при температуре 298К образуется 1 моль данного соеди­нения, находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стан­дартных состояниях⁴*, a Δ G°₂₉₈ - стандартная энергия Гиббса реакции в кДж.

Пример 4.2. Расчёт стандартной энергии Гиббса реакции, протекающей по уравнению: 4NH ₃(г) + 5O₂ (г) = 4NO(г) + + 6Н₂O(г).

В соответствии с формулой (4.2) записываем:

Согласно определению, стандартная энергия Гиббса образования простых веществ равна нулю.

Δ G⁰_{298 O2} в выражении не фигурирует ввиду ее равенства нулю

Δ G⁰₂₉₈ = (4 Δ G⁰₂₉₈._no ⁺ 6 Δ G⁰_298.H2O) - 4 Δ G⁰_298.NHз После подстановки табличных значений Δ G⁰ _{298 .обР} получаем: Δ G⁰₂₉₈ = (4 (86,69) + 6 (-228, 76)) - 4 (-16,64) = - 959.24 кДж. По полученному результату видно, что так же, как и в примере 4.1, в стандартных условиях рассматриваемая реакция может протекать самопроизвольно

По формуле (4.1) можно определить температурный диапазон самопроизвольного протека­ния реакции. Так как условием самопроизвольного протекания реакции является отрицательность ΔG (ΔG<0), определение области температур, в которой реакция может протекать самопроизвольно, сво­дится к решению неравенства (ΔH-TΔS)

Пример 4.3. Определение температурной области самопроизвольного протекания реакции, вы­раженной уравнением: СаСО₃(т) = СаО(т) + СO₂(г).

Находим ΔH u ΔS. ΔH ≈ ΔH°₂₉₈ = (ΔН⁰₂₉₈,_СаО + ΔН°_298,CO2) - ΔН°₂₉₈,_CaCO3 = (-635,1 + (-393,51)) - (-1206) = 177,39кДж = 177390 Дж; ΔS ≈ ΔS⁰298 = (S⁰₂₉₈,_СаО + S⁰298.С02) - S⁰298_,СаСОз = (39,7 + 213,6)- 92,9 = 160,4 Дж/К. Подставляем значения ΔН и ΔS в неравенство и решаем его относительно Т: 177390 – Т*160,4<0, или 177390<Т*160,4, или Т>1106. Т.е. при всех температурах, больших 1106К, бу­дет обеспечиваться отрицательность ΔG и, следовательно, в данном температурном диапазоне бу­дет возможным самопроизвольное протекание рассматриваемой реакции.