Thermodynamics Thermodynamics lets lets us us predict predict whether whether a a process process will will occur occur but but gives gives no no information information about about the the amount amount of of time time required required for for the the process process . . Kiedy przebiegają reakcje? Kiedy przebiegają reakcje?
41
Embed
Kiedy przebiegają reakcje? - Wydział Chemii UJlojewska/Wyklady/wyklady/7.pdf · Termodynamika energia postęp reakcji substraty produkty dziedzina termodynamiki stan końcowy i
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
ThermodynamicsThermodynamics letslets usus predictpredictwhetherwhether a a processprocess will will occuroccur butbutgivesgives no no informationinformation aboutabout thetheamountamount ofof time time requiredrequired for for thetheprocessprocess..
Kiedy przebiegają reakcje?Kiedy przebiegają reakcje?
Co stało się z energią wydzieloną przez układ?Co stało się z energią wydzieloną przez układ?Jaką formę przybrała energia?Jaką formę przybrała energia?Jaki jest kierunek jej przepływu?Jaki jest kierunek jej przepływu?
Prawo zachowania energiiPrawo zachowania energii
Procesy samorzutneProcesy samorzutne
?
Film2_NH3+HCl.MOVFilm2_NH3+HCl.MOV
? ??
EntropiaEntropia
rozważmy• Na ile sposobów można ułożyć cztery
cząsteczki w dwóch naczyniach?• Jakie jest prawdopodobieństwo, że w
naczyniu I znajdzie się określona liczna cząsteczek?
• Ile stanów mikro odpowiada jednemu stanowi makro?
Procesy odwracalne i nieodwracalneProcesy odwracalne i nieodwracalneOdwracalny: kierunek można odwrócić poprzez nieskończenie małą zmianę wartości jednej lub więcej zmiennych stanu termodynamicznego. Procesy odwracalne zachodzą bez żadnej produkcji entropii, tzn. suma entropii układu i otoczenia jest stała
• jeżeli weźmiemy gaz w cylindrze, zauważymy, że kwazistatyczne rozprężanie tego gazu związane jest z wykonaniem pracy i oddaniem ciepła. Jeśli jesteśmy w stanie przywrócić warunki początkowe przez dodanie dokładnie tej samej ilości ciepła, oraz wykonanie tej samej pracy, to gaz w cylindrze możemy sprężyć do warunków początkowych. Można więc powiedzieć, że proces kwasistatyczny jest procesem odwracalnym.• proces odwracalny jest to taki proces, po zajściu którego można przywrócić warunki początkowe tylko przez narzucenie warunku ograniczającego usuniętego na początku procesu.
Procesy zachodzące w przyrodzie są nieodwracalne –(praca pożytkowana jest na ciepło)
Entalpia swobodna – sens fizyczny
Entalpia swobodna – sens fizyczny
A
B
A
B
(a) (b)
C
a) ∆∆GG°° <0, proces zmierza w określonym kierunku
b) Stan równowagi osiągnięty gdy ∆∆GG°° =0
Entalpia swobodna w stanie równowagi
Entalpia swobodna w stanie równowagi
wówczas
K = stała równowagi
A
B
A
B
(a) (b)
C
a) ∆∆GG°° <0, proces zmierza w określonym kierunku
b) Stan równowagi osiągnięty gdy ∆∆GG°° =0
∆∆GG = = 00
∆∆GG°° + + RTRT ln(ln(QQ)=O)=O
∆∆GG°°= = -- RTRT ln(Kln(K))
SamorzutnośćSamorzutność
rozważmy przemianę
H2O(s) → H2O(c)
Kiedy przemian zachodzi samorzutnie?Kiedy ustala się równowaga?
∆S>0 – bo woda ma strukturę mniej uporządkowaną niż lód∆H>0 – bo stopienie lodu wymaga dostarczenia energii
O samorzutnoO samorzutnośści decyduje temperatura.ci decyduje temperatura.Do rDo róównowagi dochodzi w wnowagi dochodzi w śściciśśle okrele okreśślonej temperaturzelonej temperaturze∆∆G = G = 0 to 0 to TTtopntopn = = ∆∆H/H/∆∆SStemperaturze topnieniatemperaturze topnienia
Przykład 3Przykład 3
SamorzutnośćSamorzutność∆G = ∆H - T∆S
Jeżeli mamy dane wartości standardowej entalpii swobodnej przemian w temperaturze 25oC (p=1 atm):
C(s)diament + O2(g) → CO2(g) ∆Go = -397 kJ/mol
C(s)grafit + O2(g) → CO2(g) ∆Go = -394 kJ/mol
To oblicz wartość standardowej entalpii swobodnej dla przemiany:
grafitgrafit ∆∆GGoo = = --397 + 394= 397 + 394= --3 3 kJkJ/mol /mol W podanych warunkach diament powinien samorzutnie zamieniaW podanych warunkach diament powinien samorzutnie zamieniaćć sisięę w w grafit. Jednakgrafit. Jednakżże ze wzgle ze wzglęędu na madu na małąłą szybkoszybkośćść reakcji przemiany tej nie reakcji przemiany tej nie obserwujemy. Diament nie jest trwaobserwujemy. Diament nie jest trwałły termodynamicznie, jednak jest y termodynamicznie, jednak jest stabilny kinetycznie.stabilny kinetycznie.
SamorzutnośćSamorzutność
Enthalpy Change, ∆H, and ∆E
Entalpia spalnia n-pentanu, n-C5H12, wynosi: ∆H = -3523 kJ/mol. Oblicz ∆U dla reakcji spalania.
( ) ( ) ( ) ( )C H + 8 O 5 CO + 6 H O5 12 2 g 2 g 2l l→
Przykład 5Przykład 5
Enthalpy Change, ∆H, and ∆E
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
C H + 8 O 5 CO + 6 H O
T 25 C = 298 Kw = - P V = - n RT n = (5 - 8) mol = - 3 mol
w = -(-3) 8.314 Jmol K
K J = 7.433 kJ
5 12 2 g
mol gas
2 g 2
mol gas
o
l l8 5
298 7433
1 2444 3444 1 2444 3444→
=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
=
∆ ∆ ∆
Enthalpy Change, ∆H, and ∆E
kJkJkJUVpHU
wqU
3516)433.7(3523 −=−−−=∆∆−∆=∆
+=∆
Entropy, S
• Example 6: Calculate ∆So298 for the reaction
below.
• Changes in S are usually quitesmall compared to ∆E & ∆H.
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )[ ]K
kJK
J
KJ
0NO
0NO
0ON
0298
g2g2g
0.1724-or 4.172210.43 - 240.0 7.219
S 3SSS
NO ONNO 3
gg2g2
−=+=
−+=∆
← +→
The TemperatureDependence of Spontaneity
• Example 7: Use thermodynamic data to estimate thenormal boiling point of water.
( ) ( )H O H O
equilibrium at BP G = 0G = H - T S or H = T S
T = HS
2 2 gl ↔
∴ ∆∆ ∆ ∆ ∆ ∆
∆∆
The TemperatureDependence of Spontaneity
[ ]
assum e H @ BP H
H H H
H
H kJ@ 25 C
298o
oH Oo
H Oo
o JK
o o
2 (g) 2 ( )
∆ ∆
∆ ∆ ∆
∆
∆
≈
= −
= − − −
= +
l
241 8 285 8
44 0
. ( . )
.
[ ]
assume S@ BP S
S S S
S
S or - 0.1188
298o
oH Oo
H Oo
o JK
o JK
kJK
2 (g) 2 ( )
∆ ∆
∆
∆
∆
≈
= −
= −
=
l
188 7 69 91
118 8
. .
.
The TemperatureDependence of Spontaneity
T = HS
HS
.0 kJ0.1188
K
370 K- 273 K = 97 C
o
o kJK
o
∆∆
∆∆
≈ = =44 370
Procesy odwracalne i nie odwracalne
Procesy odwracalne i nie odwracalne
Reversible: The universe is exactly the same as itwas before the cyclic process.Irreversible: The universe is different after thecyclic process.All real processes are irreversible -- (some work ischanged to heat).
Wartości ∆S układu i otoczenia a samorzutność
Wartości Wartości ∆∆S układu i otoczenia a S układu i otoczenia a samorzutnośćsamorzutność
Zmiany entropii
Proces samorzutny?
+ + tak− − − nie
+ − ? tak, gdy wartość. ∆Sukljest większa niż ∆Sot
− + ?
∆Sukl ∆Sot ∆Stot
+
tak, gdy wartość∆Sotjest większa niż ∆Sukl
Zmiany entropii
Proces samorzutny?
+ + tak− − − nie
+ − ? tak, gdy wartość. ∆Sukljest większa niż ∆Sot
− + ?
∆Sukl ∆Sot ∆Stot
+
Zmiany entropii
Proces samorzutny?
+ + tak− − − nie
+ − ? tak, gdy wartość. ∆Sukljest większa niż ∆Sot
− + ?
∆Sukl ∆Sot ∆Stot
+
tak, gdy wartość∆Sotjest większa niż ∆Sukl
I i II zasada termodynamikiI i II zasada termodynamikiI i II zasada termodynamiki