19001

Химическое равновесие

Лекция

Физика

Лекция XIV 1. Химическое равновесие. Уравнение химической реакции общего вида можно представить в форме XIV.1.1 где химические символы реагирующих веществ целые числа отвечающие данной реакции. Например в случае превращения гремучего газа в воду имеем XIV.1.2...

Русский

2013-07-11

281 KB

0 чел.

Лекция XIV

1. Химическое равновесие.

Уравнение химической реакции общего вида можно представить в форме

,   (XIV.1.1)

где - химические символы реагирующих веществ,, - целые числа, отвечающие данной реакции. Например, в случае превращения гремучего газа в воду имеем

 (XIV.1.2)

Химическое равновесие обычно достигается в химических реакциях, протекающих при постоянных давлении и температуре (в автоклавах). В этих условиях при равновесии минимален термодинамический потенциал Гиббса :

,                 (XIV.1.3)

где - химический потенциал -ого вещества, - средние числа частиц различных веществ, участвующих в реакции. Рассмотрим любое вещество, например . Условие минимума  при  и  дает

        (XIV.1.4)

Изменение числа частиц различных сортов связано уравнением реакции (XIV.1.1): если  изменяется на , то  изменяется на , т.е.

                  (XIV.1.5)

Подставляя это соотношение в уравнение (XIV.1.4) и учитывая равенство , получаем условие химического равновесия

.     (XIV.1.6)

2. Закон действующих масс.

Если реагирующие вещества – идеальные газы или разреженные растворы, то условие равновесия (XIV.1.6) принимает простой вид. В этом случае

,        (XIV.2.1)

где концентрация,  квантовый объем и  – статистическая сумма по внутренним степеням свободы го вещества (см. Лекцию IX). Логарифмируя (XIV.2.1) и подставляя в условие (XIV.1.6), имеем

.   (XIV.2.2)

Отсюда окончательно получаем

,    (XIV.2.3)

– закон  действующих масс (для концентраций), где - функция только температуры.

В качестве примера найдем степень диссоциации молекулярного водорода на атомарный,

.            (XIV.2.4)

Определяющим обстоятельством в теории молекул является малость отношения массы электрона к массе молекулы: . При этом отношение энергии электронного возбуждения  к колебательной  и вращательной  энергиям равно

            (XIV.2.5)

Для водорода имеем

               (XIV.2.6)

При низких температурах  ни вращательные, ни колебательные степени свободы не возбуждаются, так что внутренние статистические суммы связаны только со спиновыми степенями свободы и отсчетом энергии

                   (XIV.2.7)

Если энергию отсчитывать от энергии молекулы, то

             (XIV.2.8)

- энергия диссоциации. Тогда закон действующих масс (XIV.2.3) дает  

  (XIV.2.9)

При высоких температурах необходимо учитывать также колебание и вращение молекулы .

3. Ионизационное равновесие.

При достаточно высоких температурах столкновения частиц могут сопровождаться ионизацией. Рассмотрим тепловую ионизацию одноатомного газа. Пусть  символ нейтрального атома,  -кратно ионизованного, а электрона. Тогда процессы последовательных ионизаций можно считать частным случаем химических реакций, см. (XIV.1.1):

   (XIV.3.1)

В простейшем случае первой ионизации имеем

     (XIV.3.2)

где - масса нейтрального атома, - масса электрона, , а - первый ионизационный потенциал. Поскольку , то масса иона практически равна . Подставляя (XIV.3.2) в закон действующих масс (XIV.2.3), приходим к соотношению

,       (XIV.3.3)

которое называется уравнением Саха.

Для числа частиц в объеме  получаем

          (XIV.3.4)

При  квантовый объем порядка боровского объема, , предэкспоненциальный фактор в (XIV.3.4) велик, так что процесс ионизации становится заметным при температурах много меньше потенциала ионизации, .

Так, например, для атома водорода

,        (XIV.3.5)

потенциал ионизации – энергия электрона на первой боровской орбите –. В силу электронейтральности , и уравнение Саха принимает вид

.  (XIV.3.6)

Согласно теории горячей Вселенной через лет после Большого взрыва она остыла примерно до 4000К. При таких температурах протоны и электроны, образующие горячую плазму, рекомбинируют в водород. Определим температуру рекомбинации  из условия, что половина протонов, подхватив электроны, превратилась в атомы водорода

                (XIV.3.7)

Хотя в настоящее время концентрация протонов во Вселенной равна

,                (XIV.3.8)

т.е. в четырех кубометрах содержится в среднем примерно один протон, при температуре  их концентрация была значительно выше

,              (XIV.3.9)

поскольку с тех пор Вселенная расширилась в  раз.

Уравнение Саха с условием (XIV.3.7) дает для температуры рекомбинации значение

,          (XIV.3.10)

причем концентрации равны

.   (XIV.3.11)

С учетом равенств (XIV.3.8)-(XIV.3.10) уравнение Саха дает

.   (XIV.3.12)

Нетрудно проверить, что при  приходим к значению (XIV.3.11), поскольку . С возрастанием температуры водород диссоциирует на протоны и электроны:

    при

, соответственно. Наоборот, при остывании Вселенной, т.е. при ее расширении, процесс рекомбинации растет экспоненциально:  при , соответственно.

Вещество становится практически прозрачным для фотонов (), и они выходят из термодинамического равновесия с ним. При дальнейшем расширении Вселенной эти реликтовые фотоны “остывают” в соответствии с распределением Планка (XIII.3.5). В настоящее время их температура надежно измерена

   (XIV.3.13)

(с момента рекомбинации водорода Вселенная расширилась в ). Установлено также, что это космическое фоновое излучение в высокой степени однородно и изотропно. Это служит подтверждением космологического принципа, согласно которому Вселенная на сверхгалактических масштабах однородна и изотропна.

4. Равновесие по отношению к образованию -пар.

Для равновесных концентраций электронов  и позитронов  распределение Ферми-Дирака, см. (IX.2.3) и (X.2.4), дает

.  (XIV.4.1)

С термодинамической точки зрения рождение и аннигиляция электрон-позитронных пар

           (XIV.4.2)

– химические реакции. В соответствии с (XIV.1.6) имеем

             (XIV.4.3)

Поскольку химический потенциал фотонов , то

       (XIV.4.4)

и для определения концентраций получаем уравнения

.   (XIV.4.5)

Последнее равенство следует из электронейтральности системы (для электрон-протонной плазмы). Рассмотрим предельные случаи этих уравнений .

а) Нерелятивистский невырожденный газ электронов и позитронов.

В этом случае . Полагая

           (XIV.4.6)

для электронов получаем как обычно

,                (XIV.4.7)

а для позитронов соответственно имеем

.         (XIV.4.8)

С учетом этих условий интегралы в (XIV.4.5) дают

.           (XIV.4.9)

Отсюда для определения концентраций следуют уравнения

,         (XIV.4.10)

т.е. условие равновесия в виде закона действующих масс.

б) Релятивистский газ электронов и позитронов.

При температурах  количество – пар велико по сравнению с числом протонов и можно считать, что . Это условие зарядовой симметрии приводит к равенству

,    (XIV.4.11)

которое дает , т.е. . Таким образом, в релятивистском случае, когда частицы эффективно становятся безмассовыми, их химические потенциалы равны нулю, как и для фотонов. Для тех и других это связано с механизмом установления термодинамического равновесия.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37515. Специфика мифологического мировоззрения 11.53 KB
  Мифологическое мировоззрение характеризуется преимущественно игнорированием причинноследственных методов описания действительности в результате чего картина мира предстает только в ее пространственновременном оформлении например в нереальных сроках жизни людей их перерождении и воскрешении в другом качестве и т. Мифологическое мировоззрение обладает еще одной особенностью в мифе всегда есть присутствие целостного представления между природной субстанцией и самим человеком. Поэтому мифологическое сознание сначала растворяется в...
37517. Что такое философия На какие вопросы отвечает 10.8 KB
  Философия не наука. Философия к человеческим смыслам предпосылкам знания носит созерцательный характер и поэтому исключает научный критерии истинности в качестве которого с точки зрении философии выступает практика. Таким образом философия в отличие от науки суть абстрактные размышления рефлексия противоположные опыту.
37519. Философия. Вспомогательный материал к лекциям в схемах 53.47 KB
  Критика чувственных методов познания. Постоянно изменяется не только материальный мир не только объект познания но и субъект т. О несуществующем или о природе Проблемы политики этики государства права языкознания познания. Отрицание познания космоса возможно лишь познать свою душу.
37520. Сравнительный анализ истоков философского мышления Запада и Востока 51.65 KB
  Существует также трактат Нань Цзин - один из древнейших в Китае медицинских трактатов, в основу которого положена девятка : - он описывает 81 трудность классической медицины И-Цзин по своей сути является трактатом, описывающим всеохватно-круговые перемены. Это учение о замкнутой, состоящей из 64 основных ситуаций, структуре постоянно и циклически изменяющегося мира.
37521. Наука 20.83 KB
  Проблема начала науки ее возникновения имеет важное методологическое значение для формирования теоретических подходов к определению природы науки ее статуса этапов развития. Античная наука Страна происхождения науки в европейском понимании Древняя Греция. Для этой науки характерна органичная связь с философией.
37522. Сравнительный анализ философских школ 119.35 KB
  Бытие первоначально имеет огонь и является равновесием двух потоков. Все появляется через отдельные промежутки времени. Отношение к рабовладению и роль рабов в государстве В государстве Платона рабство сохраняется в частности одной из задач сословия стражей является ведение завоевательных войн с целью добычи рабов. Если целью правящих является не благо государства а собственный корыстный интерес единолично правящего то монархия вырождается в тиранию.