29763

Химический потенциал. Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константы равновесия

Контрольная

Химия и фармакология

Химическое равновесие Эксперименты показывают что химические реакции одновременно протекают в двух направлениях. Таким образом химическое равновесие помимо равенства скоростей прямой и обратной реакции и постоянства концентраций при неизменных внешних условиях обладают ещё следующими свойствами: Подвижностью т. Возможностью достижения равновесия как со стороны исходных веществ так и со стороны продуктов реакции. С термодинамической точки зрения они необратимы и работа их не является максимальной однако можно мысленно представить...

Русский

2013-08-21

21.55 KB

49 чел.

Химический потенциал. Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константы равновесия.

Химический потенциал

До сих пор рассматривались системы с постоянным количеством вещества. При изучении растворов и гетерогенных систем, состоящих из двух и более веществ, необходимо рассматривать открытые системы, в которых состав и масса могут быть непостоянными вследствие химических реакций: испарения, кристаллизации и т.д. Изменение состава влияет на условия существования каждого компонента и соответственно на их термодинамические свойства. Для описания свойств таких открытых систем используются понятия химического потенциала.

Химический потенциал – это термодинамическая функция состояния, определяющая изменение термодинамических потенциалов при изменении числа частиц в системе. Химический потенциал -го компонента многокомпонентной системы равен частной производной любого из термодинамических потенциалов по числу частиц этого компонента при постоянных значениях остальных термодинамических переменных, определяющих данный потенциал. Химический потенциал:

Его смысл заключается в том, что химический потенциал -го компонента – это работа, затрачиваемая на увеличение числа частиц -го сорта в системе на единицу при постоянных остальных переменных. Химический потенциал – это интенсивная величина.

Понятие химического потенциала позволяет сформулировать условие термодинамического равновесия. При равновесии химический потенциал каждого компонента во всех фазах системы одинаков. (Уровень Ферми для электронов одинаков гетерогенных системах и p-n переходе). Если в гетерогенной системе происходит самопроизвольное перераспределение веществ между фазами или в гомогенной системе самопроизвольно протекает прямая реакция, то изобарный потенциал системы должен убывать. При этом при постоянном давлении и температуре сумма

Меньше нуля, когда процесс протекает с изменение количества частиц, и в этом случае равновесие наступает при минимальном значении изобарного потенциала

общее условие возможности самопроизвольного течения процесса. При постоянных значениях давления и температуры вещество будет переходить самопроизвольно из фазы, где оно имеет более высокий химический потенциал, в фазу, где его химический потенциал ниже. При равновесии химический потенциал примет равное значение для каждой фазы, т.е. химический потенциал как интенсивная величина подобен давлению, температуре и другим потенциалам, определяющим направление самопроизвольных процессов.

Химическое равновесие

Эксперименты показывают, что химические реакции одновременно протекают в двух направлениях. Обычно прямой называется та реакция, которая протекает экзотермически, т.е. с выделением тепла, обратная – эндотермически, с поглощением тепла.

Таким образом, химическое равновесие помимо равенства скоростей прямой и обратной реакции и постоянства концентраций при неизменных внешних условиях обладают ещё следующими свойствами:

  1.  Подвижностью, т.е. способностью самопроизвольно восстанавливаться после небольших смещений, вызванных временными отклонениями температуры или давления от заданного значения.
  2.  Возможностью достижения равновесия, как со стороны исходных веществ, так и со стороны продуктов реакции.
  3.  Минимальным значением изобарного потенциала в изобарно изотермическом процессе и равенствами  и

которые являются фундаментальными термодинамическими условиями химического равновесия.

Химически обратимая реакция до перехода в состояние равновесия протекает с конечными скоростями. С термодинамической точки зрения они необратимы и работа их не является максимальной , однако можно мысленно представить, что эти реакции в прямом и обратном направлениях идут бесконечно медленно через смежные равновесные состояния, т.е. термодинамически обратимы. Тогда к ним можно применять общее условие термодинамического равновесия и рассчитать максимальную работу – меру химического сродства

По положительному значению  или убыли изобарного потенциала  можно судить о преимущественном направлении обратимой реакции, которая приближает систему к равновесному состоянию.

Закон действующих масс

В обратимых химических реакциях равновесие описывается законом действующих масс при постоянной температуре, если концентрации или парциальные давления веществ-участников реакции сравнительно малы, то закон действующих масс устанавливает постоянство отношения произведения равновесных концентраций или парциальных давлений продуктов реакции к произведению концентраций или парциальных давлений исходных веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам реакции.

и  равновесные давления и концентрации веществ. Соотношения, связывающие изобарный и изохорный процессы реакции с константой реакции называются уравнениями изотермы химической реакции или уравнениями Вант-Гоффа

Эти выражения справедливы для процессов, протекающих при постоянных температуре и давлении, и температуре и объёме соответственно. Парциальное давление относится к неравновесному состянию именно поэтому они для отличия обозначаются строчными буквами.

Если в веществах, участвующих в реакции, не применимы законы идеальных газов, то вместо парциальных давлений и концентраций необходимо использовать активности. Как правило такая ситуация наблюдается, когда концентрации веществ высоки.

Если парциальные давления всех участников реакции в исходной неравновесной смеси равны одной атмосфере, то можно записать стандартный изобарный потенциал реакции при выбранной температуре

Таким образом, изменение изобарного потенциала реакции  состоит из двух частей. Одна часть  изменение для гипотетической реакции, проходящей в стандартных условиях. При постоянных давлении и температуре она зависит только от природы участников реакции. Второй член отражает зависимость  от состава реакционной смеси.

Главное значение изотерм реакции состоит в том, что они позволяют рассчитать  или  обратимой реакции для заданного состава реакционной  смеси и определить в каком направлении и до какого предела протекает реакция при заданных условиях.

Зависимость константы равновесия от температуры

Химическое равновесие является динамическим, оно смещается в ту или иную сторону при изменении внешних условий, в частности на положении равновесия и, следовательно, на константу реакции влияет температура.

Для изобарного и изохорного процесса можно записать следующее уравнение

В узком интервале температур порядка нескольких десятков градусов тепловой эффект реакции практически не зависит от температуры, поэтому после интегрирования можно получить , где  – константа.

Если известны  для какой либо одной температуры, то можно определить  и далее значение  для любой другой температуры. Из уравнения изобары и изохоры реакции можно сделать следующий вывод. Константа равновесия  увеличивается с повышением температуры для эндотермических реакций, т.е. когда , и с понижением температуры для экзотермических, когда , т.е. наибольшая полнота эндотермических реакций достигается при возможно более высоких температурах, а эндотермических реакций – при низких температурах.

Уравнение изобары и изохоры позволяет количественно рассчитать константы равновесия реакций, по величинам которых можно судить о направлении смещения равновесия при изменении температуры и давления, а также о составе равновесной смеси. В общем виде достаточно быстро направление сдвига равновесия при изменении внешних условий можно оценить с помощью принципа подвижного равновесия Ле-Шателье. Если на систему, находящуюся в равновесии воздействуют извне, изменяя какие либо условия, определяющие положение равновесие, то в системе усилить то из направлений процесса, которое ослабляет влияние, произведённого воздействия.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32236. Системы, оптимальные по расходу ресурсов 199 KB
  Все они имеют ограничения по величине управляющего воздействия что довольно очевидно.4 В качестве критерия выберем интегральный критерий обеспечивающий одновременно ограничение переходного процесса по времени и по расходу управляющего воздействия п1.16 Системы из исходного состояния х10х20 в начале координат х1к=0х2к=0 должно производится следующим путем изминения управляющего воздействия: п1.17 Следовательно необходимо найти...
32237. Оптимальное управление. Определение оптимального управления. Критерии оптимальности 370.5 KB
  Количественная мера по которой производится сравнительная оценка качества управления и которая включает в себя максимальное количество отдельных показателей качества управления называется критерием оптимизации. Если эту меру критерий можно выразить формально в виде математического выражения то тогда можно задачу синтеза оптимального управления сформулировать следующим образом. Необходимо найти такой закон управления объектом Ut или UХ где tвремя X внутренние и выходные переменные координаты объекта управления...
32238. Определение оптимального управления формулируется в виде трех типов задач 169 KB
  Дана замкнутая система управления объект управления и регулятор. Второй тип задач: Дана разомкнутая система автоматического управления. В итоге решения этой задачи получается оптимальная система программного управления см.
32239. История развития методов синтеза оптимального управления 52.5 KB
  Задача Эйлера.2 называется уравнением Эйлера. Если функционал J зависит от функции F аргументом которой являются несколько переменных: то получается система из “n†уравнений Эйлера: 3.4 то экстремаль определяется интегрированным уравнением ЭйлераПуассона: .
32240. Синтез оптимального управления путем решения общей задачи Лагранжа 177 KB
  2 Эти уравнения получаются из описания динамики объекта управления. Рассмотрим решение общей задачи Лагранжа для объекта второго порядка: .8 Запишем уравнение динамики объекта в фазовых переменных координатах: x1=qзy; .7 Для объекта второго порядка i=12 они будут иметь вид: 4.
32241. Стыки стеновых панелей 327 KB
  Стыки стеновых панелей дома серии 1464А решаются сваркой скоб и петлевых выпусков панелей из наружных и внутренних стен. В торцовой части наружных стеновых панелей на всю их высоту имеется углубление. При стыковании двух панелей в местах углубления образуется желоб который заполняется герметизирующей прокладкой или уплотнительной мастикой.
32242. Монтаж крупноблочных зданий 424.5 KB
  Крупноблочные здания возводят преимущественно из легкобетонных блоков в сочетании с крупноразмерными железобетонными конструкциями перекрытий лестниц кровельных покрытий. При отсутствии подвала или малой глубине технического подполья применяют башенные краны используя их и для монтажа наземной части здания. После разбивки осей здания и разметки проектного положения блоков устанавливаются фундаментные блоки по углам здания укладываются маячные блоки и затем по проволоке натянутой вдоль линии фундаментов устанавливаются остальные блоки...
32243. Объемно-блочное строительство 117.5 KB
  Монолитная и сборномонолитная строительные системы применяются преимущественно для возведения зданий повышенной этажности. Первые примеры возведения многоэтажных гражданских зданий с монолитными бетонными стенами и перекрытиями в нашей стране относятся к 80м гг. осваивали технологию возведения таких зданий то с середины 80х они составили интенсивно развивающуюся отрасль городского жилищного строительства. На архитектурнопланировочное и конструктивное решение монолитных и сборномонолитных зданий существенно влияет применяемый метод...