tch I wykl 004c


Entropia - obliczanie.
Podsumowanie
Funkcja stanu !
"S = Sk - Sp
w izochorze: w izobarze:
T2 T2
CV (T ) CP (T )
"S = S2 - S1 = dT "S = S2 - S1 = dT
+" +"
T T
T1 T1
dla gazu doskonałego:
T2 V2 T2 P2
"S = CV ln + R ln "S = CP ln - R ln
T1 V1 T1 P1
Chem. Fiz. TCH II/04 1
Entropia, jako miara
uporzÄ…dkowania (1)
GAZ
Chem. Fiz. TCH II/04 2
W gazie ruch czÄ…stek jest chaotyczny (przypadkowy) i najszybszy ze wszystkich
stanów skupienia.
W modelu gazu doskonałego pomija się nawet wszelkie oddziaływania atomów
czy molekuł gazu między sobą (zakłada się jedynie sprężyste odbicia).
Entropia, jako miara
uporzÄ…dkowania (2)
CIECZ
Chem. Fiz. TCH II/04 3
W cieczach, choć pod wieloma względami nie różnią się od gazów (stąd
płyny!!!), obserwujemy:
" znacznie powolniejsze ruchy termiczne,
-znacznie większą gęstość: do 1000 razy (choć można sprężyć gaz do podobnej
gęstości, bez przemiany fazowej  skraplania - byle powyżej temperatury
krytycznej),
-pewien stopień uporządkowania (mniej lub bardziej uporządkowane struktury
(agregaty),
-oddziaływania międzycząsteczkowe (znacznie silniejsze niż w gazach
rzeczywistych) aż do wiązań chemicznych (kowalencyjnych - wodorowe).
Entropia, jako miara
uporzÄ…dkowania (3)
CIAAO STAAE
Chem. Fiz. TCH II/04 4
Kryształ  nieruchome atomy w węzłach sieci.
Mogą jednak drgać (oscylować), a przy ogólnie niskich energiach
(temperaturach) - wchodzi w rachubę także ruch elektronów (zwłaszcza w
metalach).
Entropia, jako miara
uporzÄ…dkowania (4)
S = k lnW
Ludwig Eduard
Boltzmann
uporzÄ…dkowanie entropia
GAZ
CIECZ
CIAAO STAAE
Chem. Fiz. TCH II/04 5
Wszelkie przemiany prowadzÄ…ce do wzrostu nieuporzÄ…dkowania wykazujÄ…
dodatnią zmianę entropii (układu).
Na przykład ROZPUSZCZANIE, zwłaszcza substancji krystalicznych. !!!!
Jeśli w reakcji chemicznej dochodzi do przyrostu liczby moli substancji w stanie
gazowym, to na pewno towarzyszÄ…ca jej zmiana entropii jest dodatnia.
Krzywa ogrzewania (1).
P=const=1,013·105 Pa
"H2
"T 1
ëÅ‚ öÅ‚
tgÄ… = =
ìÅ‚ ÷Å‚
"H CP
íÅ‚ Å‚Å‚P
TPF2=Twrz
T=298K; H0
TPF1=Ttop
PF2 (wrzenie)
"H1
PF1 (topnienie)
Chem. Fiz. TCH II/04 6
Temperatury przemian fazowych sÄ… NORMALNYMI temperaturami topnienia i
wrzenia, bowiem ciśnienie jest standardowe.
Gdyby CP nie zależało od temperatury, linie ogrzewania poza przejściami
fazowymi byłyby liniami prostymi.
Krzywa ogrzewania (2).
Entropia absolutna
Ttop
CP,s (T )dT
S(T ) = S(0) +
+"
T
0
"Htop Twrz CP,c (T )dT "H
par
+ + +
"Swrz
+"
Ttop Ttop T Twrz
T
CP,g (T )dT
"Stop
+
+"
T
Twrz
S(0)
Ttop Twrz
Chem. Fiz. TCH II/04 7
W podanej całce nie da się obliczyć ln(0), stąd dla najniższych temperatur CP
nie ma członu stałego, tylko wyższe potęgi (np. tzw.  ekstrapolacja Debye a).
III Zasada Termodynamiki
(1)
3
CP = aT
Ekstrapolacja Debye a:
Teoremat cieplny Nernsta:
Gdy temperatura zmierza do zera
bezwzględnego, zmiana entropii
towarzyszÄ…ca dowolnym przemianom
fizycznym lub chemicznym dąży do zera:
Walther
Hermann Nernst
lim "S = 0
"S 0, gdy T0
T 0
Chem. Fiz. TCH II/04 8
III Zasada Termodynamiki
(2)
Jeśli entropię każdego pierwiastka w jego najbardziej trwałej postaci
przyjmiemy za równą zeru w T=0, to każda substancja ma entropię
dodatnią, która dla T=0 może przyjmować wartość zero, a która
przyjmuje taką wartość dla wszystkich doskonale krystalicznych
substancji (także związków chemicznych).
Dla substancji doskonałych
S(0)=0
Chem. Fiz. TCH II/04 9
Tzw ciecze nadciekłe, obserwowane w pobliżu zera bezwzględnego także
wykazują wysokie uporządkowanie (choć w ruchu, a nie statyczne).
Entropia resztkowa, , gdy są możliwe różne ustawienia równocennych
energetycznie stanów, elektrony (zaczyna rządzić mechanika kwantowa).
III Zasada Termodynamiki
(3)
Temperatura zera bezwzględnego jest nieosiągalna w skończonej
liczbie kroków obecny rekord to 20 nK.
¸g -¸z
PV
· = = 1
¸ =
¸g
nR
3 nagrody Nobla za kriotechnikÄ™ (z fizyki):
" Onnes Heike Kamerlingh - 1913
" William Francis Giauque - 1949
" David M. Lee, Robert C. Richardson, Douglas D. Oshe-
roff - 1996
Chem. Fiz. TCH II/04 10
¸ zdefiniowana z równania gazu doskonaÅ‚ego (musi osiÄ…gać zero, bowiem P i V
nie mogą być ujemne).
¸ zdefiniowana w skali termodynamicznej z teorematu Carnota: sprawność
odwracalnej maszyny cieplnej wynosi 1, gdy temperatura zbiornika zimnego
wynosi 0 (a sprawność wyższa od 1 oznacza perpetuum mobile).
Dla uzyskania zgodności wielkości jednostki przyrostu temperatury ze stopniem
Celsjusza, przyjęto, że punkt potrójny wody ma w skali termodynamicznej
(bezwzględnej) temperaturę 273,16 K.
Nobliści (pamietajmy o polskim wkładzie w kriotechnikę: Wróblewski i
Olszewski)
Onnes  Holender - pierwszy skroplił hel, zaobserwował nadprzewodnictwo. W
jego laboratorium (jego uczeń Keesom) zestalono też hel w 1926 roku.
Giauque  Kanadyjczyk - w 1926 roku zaproponował metodę uzyskiwania
niskich temperatur (rozmagnesowanie adiabatyczne, niezależnie proponował ją
także Debye)  tzn. znacznie poniżej -272.15oC, lecz to on pierwszy zastosował
jÄ… praktycznie w 1935, razem z D.P. MacDougallem.
Trójka Amerykanów  osiągnęła w/w rekord (zauważając nadciekłość 3He.
Entropia standardowa (1)
Entropia przemiany fazowej (w temperaturze przemiany
fazowej), pod stałym ciśnieniem standardowym.
"HPF
"SPF =
TPF
Dla pierwiastków i związków chemicznych jest obliczana
zgodnie z podanymi wzorami (uwzględniającymi przemiany
fazowe) w temperaturze 298 K, pod ciśnieniem standardowym.
Jej wartości (na jeden mol) znajdujemy w tablicach.
S0298
Chem. Fiz. TCH II/04 11
Molowa standardowa entropia (absolutna) pierwiastków (w odróznieniu od
stadardowej molowej entalpii - tworzenia) NIE jest równa zeru !!!
Dla wodnych roztworów elektrolitów przyjmuje się standardową molową
entropię jonu wodorowego za równą zeru w każdej temperaturze. Konwencja ta
potrzebna jest do rozdzielenia mierzalnej entropii soli w roztworze na udziały
kationu i anionu.
Entropia standardowa (2)
Dla reakcji chemicznych pod stałym ciśnieniem, standardowa
molowa entropia obliczana jest wg wzoru:
n n
0 0
"Sr0 = -
,298 "mSi, pr,298 "aSi,s,298
i=1 i=1
Entropia jest ekstensywnÄ… funkcjÄ… stanu.
Jednostki: J·K-1, lub (dla molowej) J·K-1·mol-1
Chem. Fiz. TCH II/04 12
Reguła Troutona
Standardowa molowa entropia parowania w przybliżeniu
wynosi
85 J·K-1·mol-1
Gdy dowolna ciecz paruje, powstaje w przybliżeniu taka sama
 ilość nieporządku .
Odstępstwa od tej reguły obserwuje się, gdy w cieczy istnieją
oddziaÅ‚ywania specyficzne, np. woda (109,1 J·K-1·mol-1), w
której istnieją wiązania wodorowe.
Chem. Fiz. TCH II/04 13
Praktycznie możemy więc oszacować ciepła parowania znając temperatury
wrzenia cieczy (i stosując regułę Troutona).
Wyjątkami są także bardzo lekkie gazy (ze względu na słabe wzbudzenie
rotacyjne).
Czy reakcja chemiczna jest
samorzutna? (1)
Dana jest reakcja: S(s,romb) + O2(g) = SO2(g)
Czy może ona zachodzić samorzutnie w warunkach standardowych?
"H0tw298 kJ/mol S0298 J/(K·mol)
"Su.i. = "Sukł + "Sot > 0
S(s,romb.) 0 31,80
O2(g) 0 205,14
SO2(g) -296,83 248,22
0
"Sukł = "Sr,298 = (248,22) - (31,80 + 205,14) = 11,28 J/K
- "Hukł 296830
0
"Hr,298 = -296830 J
"Sot = = E" 996 J/K
T 298
"Su.i. = 11,28 + 996 E" 1007 J/K > 0
JEST!!!
Chem. Fiz. TCH II/04 14
Entalpia swobodna (1)
"Su.i. = "Sukł + "Sot
"Hr
"Su.i. = "Sr -
T
T"Su.i. = T"Sr - "Hr
-T"Su.i. = "Hr -T"Sr
Josiah Willard
Gibbs
gdy : -T"Su.i. < 0 - to reakcja jest samorzutna
G = H -TS "G = "H -T"S
Chem. Fiz. TCH II/04 15
Gibbs był Amerykaninem, w przyszłym roku (2003) mija 100 rocznica jego
śmierci.
Tę funkcję stanu nazywa się też czasem energią swobodną Gibbsa (ang. Gibbs
free energy).
Entalpia swobodna jest częścią entalpii, która może być użytecznie wykorzystana
z procesu (reakcji). Pozostała część zużywa się na wzrost nieuporządkowania.
We wzorze definicyjnym wszystkie symbole odnoszą się do reakcji (używa się
określeń człon entalpowy i człon entropowy). Człon entropowy określa nam
energię zmagazynowaną w układzie na sposób chaotyczny (nie uporządkowany).
Wskazuje nam, jaką energię możemy uzyskać z reakcji (sama egzotermiczność
nie wystarcza), jaką pracę (nie objętościową) można uzyskać z reakcji. To
ostatnie twierdzenie jest jeszcze wyrazniejsze w odniesieniu do energii
swobodnej, patrz slajd 21, gdzie praca objętościowa w ogóle nie występuje.
Entalpia swobodna (2)
Kryteria samorzutności reakcji:
"Sr>0 zawsze samorzutna
egzotermiczna "Hr<0
samorzutna, gdy
"Sr<0
|"Hr| >|T "Sr|
samorzutna, gdy
"Sr>0
|"Hr| <|T "Sr|
endotermiczna "Hr>0
nigdy nie jest
"Sr<0
samorzutna
Zawsze musi być: samorzutna, gdy "GT,P < 0
Chem. Fiz. TCH II/04 16
Warunek ogólny jest słuszny, gdy w procesie wykonywana jest tylko praca
objętościowa. (Warunek ogólniejszy zostanie omówiony na następnym
wykładzie).
Entalpia swobodna (3)
Entalpia swobodna jest funkcjÄ… stanu, zatem:
zawsze prawdziwe jest
"G = Gk - Gp
Jeżeli proces nie jest samorzutny, to znaczy, że samorzutny
jest proces odwrotny (zachodzÄ…cy w kierunku przeciwnym).
Proces nie samorzutny może zostać ewentualnie
wymuszony.
Chem. Fiz. TCH II/04 17
Entalpia swobodna (4)
Dla reakcji chemicznej:
n n
0 0 0
"Gr,298 = -
"m"Gi,tw, pr,298 "a"Gi,tw,s,298
i=1 i=1
Dla pierwiastków chemicznych w ich trwałej
postaci, standardowa molowa entalpia swobodna
"G0298= 0
Dla związków mówimy o "Gtw, którą
definiujemy analogicznie jak "Htw.
Chem. Fiz. TCH II/04 18
Dane są także stablicowane.
Dla protonu w roztworze wodnym, przyjmujemy konwencjonalnie "G0tw=0 w
każdej temperaturze.
Związki egzo- i endoergiczne (możliwość syntezy totalnej, dla pierwszych
MOŻLIWA, dla drugich  NIE).
Energia swobodna
Dla warunków izochorycznych zdefiniowano
innÄ… funkcjÄ™ stanu, zwanÄ… energiÄ… swobodnÄ…:
F = U -TS
"F = "U -T"S
Hermann Ludwig
Ferdinand von Helmholtz
Kryterium samorzutności procesów (reakcji chemicznych)
zachodzÄ…cych w warunkach izochorycznych jest:
"FV,T < 0
Chem. Fiz. TCH II/04 19
Funkcja ta zwana jest także energią swobodną Helmholtza (ang. Helmholtz free
energy). Często nazywana jest także funkcją pracy maksymalnej lub funkcją
pracy i oznaczana także symbolem A (niem. Arbeit), wskazuje bowiem jaką
maksymalną pracę (tutaj na pewno nie objętościową) można uzyskać z układu.
Dowód na następnym wykładzie. Jej obliczenia dla przemiany fazowej, reakcji,
itp. są analogiczne jak sposoby określone dla entalpii swobodnej.
Jednostki są takie same jak dla energii wewnętrznej, entalpii i entalpii swobodnej
(J lub J/mol).
Także wszystkie konsekwencje wynikające z faktu, że jest ona funkcją stanu są
analogiczne.
Czy reakcja chemiczna jest
samorzutna? (2)
Dana jest reakcja: S(s,romb) + O2(g) = SO2(g)
Czy może ona zachodzić samorzutnie w warunkach standardowych?
"G0tw298 kJ/mol
0 0
"Gr,298 = "GtwSO ,298 = -300,19 kJ
S(s,romb.) 0
2
O2(g) 0
JEST!!!
SO2(g) -300,19
"Gr = -T"Su.i. = "Hr -T"Sr Sprawdzamy obliczenia z części (1).
-T"Su.i. = -(298Å"1007,35) /1000 = -300,19 kJ
Lewa strona:
"Hr
Prawa strona: -T"Sr = -296,83 - (298Å"11,28) /1000 = -300,19 kJ
Chem. Fiz. TCH II/04 20
Czy reakcja chemiczna jest
samorzutna? (3)
Dana jest reakcja: NaHCO3(s) = NaOH(s) + CO2(g)
Czy może ona zachodzić samorzutnie w warunkach standardowych?
0 0 0
"G0tw298 kJ/mol
"Gr,298 = ("GtwCO ,298 + "GtwNaOH ,298)-
2
NaHCO3(s) -851,9
0
- "GtwNaCO ,298 = -773,45 + 851,9 = 78,45 kJ
3
NaOH(s) -379,07
CO2(g) -394,38 NIE JEST!!!
WNIOSEK:
" Wodorowęglan sodu jest termodynamicznie trwały w warunkach
standardowych.
Chem. Fiz. TCH II/04 21
Entalpia swobodna (5)
Zależnie od składu mieszani-
ny reakcyjnej możemy ocze-
kiwać samorzutnego przebie-
gu reakcji w prawo, w lewo
(samorzutnie przebiega reak-
cja przeciwna) lub pozosta-
wania przez nią w równowa-
dze.
Chem. Fiz. TCH II/04 22
Iloraz reakcji
Dla reakcji: aA + bB + ... = mM + nN + ...
a b a b
aA Å"bB Å"... cA Å"cB Å"...
Q = Q =
m n m n
aM Å" aN Å"... cM Å"cN Å"...
gdzie aktywności (stężenia) są dowolne  odpowiadają konkretne-
mu, dowolnie wybranemu stanowi mieszaniny reakcyjnej (mogÄ…
być nietrwałe w czasie). Gdy skład mieszaniny nie ulega zmianie
(reakcja pozostaje w równowadze), to Q = K (stała równowagi
reakcji), zaś aktywności lub stężenia odpowiadają tzw. składowi
równowagowemu mieszaniny reakcyjnej.
Chem. Fiz. TCH II/04 23
Aktywności zdefiniujemy sobie we właściwy czasie. Na razie używajmy stężeń
molowych (podzielonych przez stężenie jednostkowe, aby uniknąć wymiarów, Q
bowiem zawsze jest w ten sposób bezwymiarowe, niezależnie od wykładników a,
b, c, d).
Bliżej o związkach "G ze stałą równowagi reakcji i z ilorazem reakcji będziemy
mówić na wykładach z równowagi chemicznej.


Wyszukiwarka