-НАПРЯМОК ПЕРЕБІГУ ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Як відомо, кожна система намагається перейти в стан з най­меншим запасом енергії. Тому самовільний перебіг будь-якого про­цесу має супроводжуватись зменшенням внутрішньої енергії і ен­тальпії системи. Отже, від’ємне значення ентальпії Н деякою мірою вказує на ймовірність перебігу хімічної реакції.

Проте для дійсної оцінки можливості перебігу хімічного про­цесу треба розглянути такі термодинамічні функції, як ентропія S і енергія Гіббса G.

Ентропія

У природі всі процеси відбуваються так, що при цьому система переходить з більш упорядкованого в менш упорядкованій стан. Наприклад, якщо з’єднати наповнену газом посудину з вакуумова­ною посудиною, то через певний час газ рівномірно заповнить обидві посудини. При цьому система з більш упорядкованим станом пере­ходить у менш упорядкований стан. Зворотний перехід системи, тобто в упорядкований стан, менш ймовірний. Так, у двох посуди­нах, незважаючи на безперервний рух молекул газу, ймовірність такого стану, коли всі молекули одночасно перебуватимуть в одній посудині, практично дорівнює нулю. Отже, для оцінки можливості перебігу процесу певне значення матиме фактор ймовірності. В зам­кнутих системах самовільно можуть відбуватися такі процеси, які зменшують упорядкованість у них. Це означає, що природний перебіг будь-якого процесу – це перехід від упорядкованості до невпорядкованості. Справді, з практики відомо, що невпорядкова­ність встановлюється самовільно, а для встановлення впорядко­ваності треба здійснити певну роботу.

Для кількісної оцінки відносної ймовїрностї двох станів систе­ми, або для оцінки ступеня невпорядкованості, введено нову фун­кцію – ентропію S. Основною властивістю ентропії є: у будь-якій замкнутій системі, що змінює свій стан у бік рівноваги, ентропія обов’язково зростає. Тобто при будь-яких самовільних змінах в ізо­льованій системі ентропія завжди зростає.

Перехід системи з більш упорядкованого в менш упорядкова­ний стан супроводиться збільшенням ентропії. Чим більша ен­тропія, тим більш невпорядкована система. Рівноважний стан характеризується максимальною невпорядкованістю і найбільшим значенням ентропії.

Зрозуміло, що ентропія зростає при перетворенні твердих речовин у рідину, рідини в газ, а також при розчиненні речовин. У всіх цих випадках спостерігається зменшення порядку в розта­шуванні частинок системи. Навпаки при конденсації, кристаліза­ції ентропія речовин зменшується.

Отже, ймовірність стану речовини (газу, рідини, кристала) можна характеризувати як певну властивість системи, яка кіль­кісно виражається ентропією.

Ентропія пов’язана з термодинамічною ймовірністю реалізації даного стану системи рівнянням:

S = К lnW

де К – константа Больцмана; W – термодинамічна ймовірність, або число можливих мікростанів, які можуть реалізуватись для даного макростану системи. 

Ентропію S, Дж/(моль·К) відносять до певної кількості речовини і до певних умов так само, як і ентальпію. З поняття ентропії випливає, що при абсолютному нулі ентропія чистого ідеального кристала дорівнює нулю. Виходячи з цього, можна обчислити абсолютні значення ентропії при різних температурах. Проте при перетвореннях різного типу важливо знати не абсолютне значення ентропії, а її зміну S, яка і характеризуватиме можливість пере­бігу процесу. Додатне значення S вказує на самовільний перебіг процесу в системі, а від’ємне S – на те, що процес може відбува­тися лише при затраті певної кількості енергії.

Взагалі додатним значенням S характеризуються всі процеси, що збільшують невпорядкованість у розташуванні і русі молекул і атомів. Збільшення температур і об’єму системи веде до збільшення ентропії. До збільшення ентропії приводить також збільшення числа частинок у системі.

Отже, ентропія є дуже важливою функцією для розуміння пере­бігу хімічних реакцій, що дає змогу передбачати, які процеси мо­жуть здійснюватись самовільно, а які – ні. Ентропія також дає змогу робити висновок про напрямок можливих перетворень і кон­тролювати їх.