-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.
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74
75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 Наверх ↑