Изменение энергии в химических реакциях

Шпаргалка по химической термодинамике: ключевые формулы энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, закон Гесса, уравнение Кирхгофа и термодинамические критерии самопроизвольности химических реакций.

страница находится на стадии проверки

1. Первое начало термодинамики и энтальпия

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии):

$$\Delta U = Q + W$$

где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии, $Q$ — теплота, полученная системой, $W$ — работа, совершенная над системой (при работе расширения против внешнего давления: $W = -P \Delta V$).

Энтальпия ($H$)

Энтальпия — функция состояния, определяемая как $H = U + PV$. При постоянном давлении ($P = \text{const}$):

$$Q_p = \Delta H = \Delta U + P \Delta V$$

  • Экзотермические реакции: теплота выделяется ($Q > 0$ в термохимическом уравнении, $\Delta H < 0$).
  • Эндотермические реакции: теплота поглощается ($Q < 0$ в термохимическом уравнении, $\Delta H > 0$).

2. Термохимические законы и расчет энтальпии

Закон Лавуазье — Лапласа

Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции:

$$\Delta H_{\text{прямая}} = -\Delta H_{\text{обратная}}$$

Закон Гесса

Тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от пути перехода.

Следствия из закона Гесса

1. Расчет через энтальпии образования ($\Delta_f H^\circ$):

$$\Delta_r H^\circ = \sum (n \cdot \Delta_f H^\circ)_{\text{продукты}} - \sum (m \cdot \Delta_f H^\circ)_{\text{реагенты}}$$

Примечание: Стандартная энтальпия образования простых веществ в их устойчивой форме при стандартных условиях равна нулю ($\Delta_f H^\circ = 0$).

2. Расчет через энтальпии сгорания ($\Delta_c H^\circ$):

$$\Delta_r H^\circ = \sum (m \cdot \Delta_c H^\circ)_{\text{реагенты}} - \sum (n \cdot \Delta_c H^\circ)_{\text{продукты}}$$

3. Расчет через энергии связей ($E_{\text{св}}$):

$$\Delta_r H^\circ = \sum E_{\text{св, разрыв.}} - \sum E_{\text{св, образ.}}$$

3. Зависимость энтальпии от температуры (Уравнение Кирхгофа)

Изменение энтальпии реакции с изменением температуры определяется разностью изобарных теплоемкостей продуктов и реагентов ($\Delta C_p$):

$$\Delta C_p = \sum (n \cdot C_{p,\text{прод}}) - \sum (m \cdot C_{p,\text{реаг}})$$

Дифференциальная форма уравнения Кирхгофа:

$$\left(\frac{\partial \Delta_r H}{\partial T}\right)_p = \Delta C_p$$

Интегральная форма (при $\Delta C_p \approx \text{const}$ в заданном интервале температур):

$$\Delta_r H_T^\circ = \Delta_r H_{298}^\circ + \Delta C_p (T - 298)$$

4. Энтропия и Второе начало термодинамики

Энтропия ($S$) — мера неупорядоченности системы. Изменение энтропии при обратимом процессе:

$$dS = \frac{\delta Q_{\text{обр}}}{T}$$

Расчет стандартной энтропии реакции ($\Delta_r S^\circ$)

$$\Delta_r S^\circ = \sum (n \cdot S^\circ)_{\text{продукты}} - \sum (m \cdot S^\circ)_{\text{реагенты}}$$

В отличие от $\Delta_f H^\circ$, абсолютная энтропия простых веществ $S^\circ > 0$ при $T > 0\text{ K}$ (Третье начало термодинамики / теорема Нернста).

5. Энергия Гиббса и самопроизвольность процессов

Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал) при $P = \text{const}$ и $T = \text{const}$:

$$G = H - TS$$

$$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$$

Критерий самопроизвольного протекания реакции

Знак $\Delta G$ Направление и возможность процесса
$\Delta G < 0$ Процесс протекает самопроизвольно в прямом направлении.
$\Delta G = 0$ Система находится в состоянии химического равновесия.
$\Delta G > 0$ Прямой процесс невозможен; самопроизвольно протекает обратная реакция.

Влияние знаков $\Delta H$ и $\Delta S$ на самопроизвольность

$\Delta H$ $\Delta S$ Условия самопроизвольности ($\Delta G < 0$)
$< 0$ (экзо) $> 0$ (беспорядок $\uparrow$) Процесс самопроизволен при любой температуре.
$> 0$ (эндо) $< 0$ (порядок $\uparrow$) Процесс невозможен ни при какой температуре ($\Delta G > 0$).
$< 0$ (экзо) $< 0$ (порядок $\uparrow$) Самопроизволен при низких температурах ($T < \frac{\Delta H}{\Delta S}$).
$> 0$ (эндо) $> 0$ (беспорядок $\uparrow$) Самопроизволен при высоких температурах ($T > \frac{\Delta H}{\Delta S}$).

6. Энергия Гиббса и константа химического равновесия

Связь между стандартной энергией Гиббса и константой равновесия ($K_{\text{р}}$):

$$\Delta_r G^\circ = -RT \ln K_{\text{р}}$$

Уравнение изотермы химической реакции (для произвольных активностей/концентраций):

$$\Delta_r G = \Delta_r G^\circ + RT \ln Q_a$$

где $Q_a$ — реакционный частный коэффициент (соотношение активностей продуктов и реагентов).


Если у вас возникли вопросы, пишите - поможем, чем сможем 🙂.
Quanta Science — индивидуальное обучение онлайн по математике, физике и химии.