Влияние температуры на направление реакции

Рассмотрим влияние температуры на направление реакции на примере синтеза аммиака.

3 H_2(г) + N_2(г) = 2 NH_3(г)

Выпишем из Приложений1 и 2 значения стандартных этальпий ΔH⁰_f, кДж/моль и энтропий S⁰, Дж/(К·моль):

Соединение	NH3(г)	H2(г)	N2 (г)
ΔH^0f, кДж/моль	-46,19
S^0, Дж/(К·моль)	192,5	130,6	191,5

Рассчитаем изменение энтальпии и энтропии

ΔH⁰ = 2 ΔH⁰_f, _NH3(г) - (ΔH⁰_f, _N2(г) + 3 ΔH⁰_f, _H2(г)) = 2·(-46,19) – (0 +3·0) = -92,38 кДж;

ΔS⁰ = 2S⁰_NH3(г) - (S⁰_N2(г) + 3S⁰_H2(г)) = 2·192,5 – (191,5 + 3·130,6) = -193,3 Дж/К.

Найдем ΔG⁰ этой реакции для температур: 25 ⁰С и 350 ⁰С.

- 25⁰С, (25 + 273 = 298 К)

ΔG⁰ = ΔH⁰ – T · ΔS⁰ = -92,38 – 298 · (-198,3 · 10^-3) = -33,29 кДж; ΔG⁰<0

- 350⁰С, (350 + 273 = 623 К)

ΔG⁰ = ΔH⁰ – T · ΔS⁰ = -92,38 – 623· (-198,3 ·10^-3) = 31,16 кДж; ΔG⁰>0

Следовательно, при 25 ⁰С принципиально возможно протекание реакции синтеза аммиака, а при сильном нагревании системы аммиак получить нельзя.

Правда, при 25⁰С реакция протекает очень медленно и с малым выходом. Ускорение реакции достигается факторами химической кинетики, которые будут рассмотрены далее.

Направление реакции зависит от характера изменения ΔG в соответствии с уравнением

ΔG = ΔH – T · ΔS

влияние температуры на ΔG определяется знаком и величиной ΔS.

На рис. 4 показана зависимость ΔG для реакций:

а) 2C_{(графит)} + O_2(г) = 2CO_(г), ΔS > 0;

б) 2Hg_(ж) + O_2(г) = 2HgO_(к), ΔS < 0;

с) C_{(графит)} + O_2(г) = CO_2(г), ΔS≈0.

а) Реакция 2С_{(графит)} + О_2(г) = 2СО _(г) протекает с увеличением объема, поэтому ΔS > 0. Судя по графику, повыение температуры приводит к увеличению отрицательного значения ΔG, т.е. благоприятно для протекания процесса.

б) Реакция 2Hg_(ж) + O_2(г) = 2HgO_(к) протекает с уменьшением объема системы, изменение энтропии ΔS < 0. При повышении температуры отрицательное значение ΔG уменьшается. Значит, в этом случае высокотемпературный режим препятствует протеканию процесса. При температуре 500 К значение ΔG становится положительным. Выше этой температуры реакция протекает в обратном направлении. Значит, при температуре ниже 500 К происходит образование оксида ртути (II), а выше 500 К он будет распадаться на простые вещества.

с) Для реакции С _{(графит)} + О_{2 (г)} = СО_{2 (г)} энтропия практически не меняется ΔS ≈ 0, так как в левой и правой части уравнения одинаковое число молей газообразных веществ. Следовательно, зависимость ΔG от температуры соответствует прямой, параллельной оси абсцисс (рис.4). Если в ходе реакции энтропия системы не меняется, то значение ΔG от температуры практически не зависит.

Рис. 4. Зависимость ΔG от температуры для ряда оксидов.

Дата добавления: 2014-10-23