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

9104. Держава і право Німеччини Новітнього періоду 110 KB
  Держава іправоНімеччини Новітнього періоду. План Листопадова революція 1918 року. Зміни в державному ладі, політичному режимі та партійній системі. Встановлення фашистської диктатури. Зміни в державному ладі та праві. К...
9105. Держава і право Франції Новітнього періоду 81.5 KB
  Держава і право Франції Новітнього періоду. ПЛАН . Зміни в державному устрої та політичному режимі між двома світовими війнами. Падіння Третьої республіки. Державний устрій та політичний режим Четвертої республіки. Державний устрій...
9106. СТАРОДАВНІ ДЕРЖАВИ І ПРАВО НА ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ 92.5 KB
  СТАРОДАВНІ ДЕРЖАВИ І ПРАВО НА ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ Виникнення стародавніх держав. Трипільська культура. Держава і право скіфів. Держава і право античних міст-держав. Держава і право Боспорського царства. Держава і право стародавніх східних слов`ян. Пол...
9107. ДЕРЖАВА І ПРАВО КИЇВСЬКОЇ РУСІ 166.5 KB
  ДЕРЖАВА І ПРАВО КИЇВСЬКОЇ РУСІ Утворення, розвиток і занепад Київської Русі. Суспільний лад. Державний устрій. Характеристика права. 1. Утворення, розвиток і занепад Київської Русі У Літописі Руськомуo (який містить Повість време...
9108. ДЕРЖАВА І ПРАВО ГАЛИЦЬКО-ВОЛИНСЬКОГО КНЯЗІВСТВА 370 KB
  ДЕРЖАВА І ПРАВО ГАЛИЦЬКО-ВОЛИНСЬКОГО КНЯЗІВСТВА (друга половина 11 - середина 14 ст.) Утворення, розвиток і занепад Галицько-Волинського князівства. Суспільний лад. Державний устрій. Характеристика права. 1. Утворення Га...
9109. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНСЬКИХ ЗЕМЕЛЬ У СКЛАДІ ВЕЛИКОГО КНЯЗІВСТВА ЛИТОВСЬКОГО ТА РЕЧІ ПОСПОЛИТОЇ 306.5 KB
  ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНСЬКИХ ЗЕМЕЛЬ У СКЛАДІ ВЕЛИКОГО КНЯЗІВСТВА ЛИТОВСЬКОГО ТА РЕЧІ ПОСПОЛИТОЇ 1. Приєднання українських земель до Великого князівства Литовського і Речі Посполитої. 2. Виникнення українського козацтва. Запорізька Січ. 3. Суспільний ...
9110. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ У ПЕРІОД НАРОДНО-ВИЗВОЛЬНОЇ ВІЙНИ 1648-1654 рр. 143 KB
  ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ У ПЕРІОД НАРОДНО-ВИЗВОЛЬНОЇ ВІЙНИ 1648-1654 рр. Антикріпосницький і національно-визвольний характер народної війни. Суспільний лад України у період народно-визвольної війни. Державний устрій України періоду...
9111. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ У ПЕРІОД КОЗАЦЬКО-ГЕТЬМАНСЬКОЇ ДОБИ (СЕРЕДИНА 17 – КІНЕЦЬ 18 СТ.) 287 KB
  ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ У ПЕРІОД КОЗАЦЬКО-ГЕТЬМАНСЬКОЇ ДОБИ (СЕРЕДИНА 17 - КІНЕЦЬ 18 СТ.) 1. Перерозподіли території України між іноземними державами. 2. Суспільний лад Козацько-гетьманської держави. 3. Державний устрій Козацько-гетьманської де...
9112. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ У СКЛАДІ РОСІЙСЬКОЇ ІМПЕРІЇ У ПЕРШІЙ ПОЛОВИНІ 19 СТ. 135.5 KB
  ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ У СКЛАДІ РОСІЙСЬКОЇ ІМПЕРІЇ У ПЕРШІЙ ПОЛОВИНІ 19 СТ. Криза і розпад феодально-кріпосницького ладу. Суспільний лад. Державний устрій. Характеристика права. Криза і розпад феодально-кріпосницького ...