Transcript Document
Równowaga fazowa czystej substancji (2) – rodzaje równowag H p T eq TV • ciecz-para (c-g) (parowanie) • ciało stałe – para (s-g) (sublimacja) • ciecz – ciało stałe (c-s) (topnienie) • ciało stałe 1 – ciało stałe 2 (s1-s2) (przemiana polimorficzna) Równowaga fazowa czystej substancji (9) Zależności jakościowe p(T) S par H par T S par ,top 0 H par ,top 0 H par p 0 T eq TV par p(T) – funkcja rosnąca H sub p 0 T eq TVsub p(T) – funkcja rosnąca H top p 0 T eq TVtop dla Vtop 0 V c V s H top p 0 T T V eq top dla Vtop 0 V c V s p(T) – funkcja rosnąca p(T) – funkcja malejąca Równowaga fazowa czystej substancji (3) – równowaga parowania (1) H par p T eq TV par Najbardziej radykalne uproszczenie – równanie Clausiusa-Clapeyrona • • Entalpia parowania nie jest funkcją temperatury (i w związku z tym i ciśnienia). Faza gazowa jest gazem doskonałym, czyli jej objętość molowa wyraża się wzorem Vmg • RT p Objętość fazy ciekłej jest znacznie mniejsza od objętości fazy gazowej i może być pominięta. Umożliwia to zastąpienie zmiany objętości poprzez objętość pary V par Vmg Vmc RT p Równowaga fazowa czystej substancji (4) – równowaga parowania (2) H par H par p RT T eq TVpar T p H par p2 dp dp dT 2 p p RT p1 H par p2 ln p1 R pH par RT 2 H par R 1 1 T2 T1 równanie Clausiusa-Clapeyrona T2 dT T T 2 1 Równowaga fazowa czystej substancji (5) – równowaga parowania (3) równanie Clausiusa-Clapeyrona Hpar H 11 pp2 par 1 ln ln pp11 RR TT2 TT11 A ln p B T Założenia: a. Entalpia parowania nie jest funkcją temperatury (i w związku z tym i ciśnienia). b. Faza gazowa jest gazem doskonałym Równanie Clausiusa-Clapeyrona zawodzi dla: c. Objętość fazy ciekłej jest znacznie mniejsza od objętości fazy gazowej i może być 1. Warunków bliskich krytycznym. pominięta. 2. Dużych różnic temperatury. Równowaga fazowa czystej substancji (6) – równowaga parowania (4) modyfikacja równania Clausiusa-Clapeyrona ln p A B T ln p A równanie Antoine’a B T C Równowaga fazowa czystej substancji (7) – równowaga sublimacji (3) równanie Clausiusa-Clapeyrona H sub p ln 2 p1 R 1 1 T2 T1 B ln p A T Równanie Clausiusa-Clapeyrona zupełnie nieźle opisuje równowagę sublimacji Równowaga fazowa czystej substancji (8) – równowaga topnienia (1) H top p T eq TVtop p2 H top dT H top T2 dT dp dp Vtop T V top T1 T p1 p2 p1 H top Vtop T2 ln T1 Analogiczne równanie otrzymuje się dla równowagi pomiędzy odmianami polimorficznymi niezależne od T,p Typowy diagram fazowy p,T p płyn nadkrytyczny k. topnienia A K s c p=1 atm k. parowania P3 g k. sublimacji B T Typowy diagram fazowy p,V p płyn nadkrytyczny K c s+c c+g s g p3 s+g Vs Vc Vg V Typowy diagram fazowy p,V,T S. Stølen, T. Grande, N.L. Allan, Chemical Thermodynamics of Materials, J. Wiley & Sons, Ltd, 2004 Diagram fazowy p,T wody W. P. Atkins, Chemia fizyczna, PWN, 2001 Diagram fazowy p,V,T wody pod wysokim ciśnieniem H. Buchowski, W. Ufnalski, Fizykochemia gazów i cieczy, WNT, 1998 Diagram fazowy p,V,T siarki H. Buchowski, W. Ufnalski, Fizykochemia gazów i cieczy, WNT, 1998 Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (1) Potencjał chemiczny czystego gazu doskonałego w funkcji ciśnienia dla czystej substancji nGm G Gm n n p,T p ,T dG SdT Vdp dGm Sm dT Vm dp Gm RT Vm p p T dGm d d RT dp p RT dp p T , p T , p 0 RT ln p p0 Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (2) Potencjał chemiczny składnika w mieszaninie gazów doskonałych T , p T , p 0 RT ln p p0 i T , p io T , p 0 RT ln pi p0 pi = pxi → ciśnienie cząstkowe ciśnienie cząstkowe dla gazu doskonałego pi pxi nk RT V xi n RT k V ni nk ni RT V Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (3) Potencjał chemiczny składnika w mieszaninie rzeczywistej (1) i T , p io T , p 0 RT ln fi = lotność i T , p ioid T , p 0 RT ln p→0 fi p0 pi p0 di T RTd ln fi f i → pi ϕi = fi /pi fi = piϕi ϕi - współczynnik lotności p → 0 ϕi → 1 i T , p ioid T , p 0 RT ln pxi i p0 Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (4) Potencjał chemiczny składnika w mieszaninie rzeczywistej (2) Lotność (współczynnik lotności) można obliczyć na podstawie równania stanu Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (5) Roztwór doskonały (1) Potencjał chemiczny składnika w mieszaninie gazów doskonałych i T , p io T , p 0 RT ln pi p0 px i T , p io T , p 0 RT ln 0i p p i T , p io T , p 0 RT ln 0 RT ln xi p i T , p io T , p RT ln xi Fenomenologiczna definicja roztworu doskonałego: Roztwór doskonały to mieszanina, w której potencjały chemiczne wszystkich składników wyrażają się powyższym wzorem. Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (6) Roztwór doskonały (2) Interpretacja molekularna roztworu doskonałego: Mieszanina, w której właściwości różnych cząsteczek (oddziaływania i entropie) są takie same Mieszaniny bliskie doskonałości: benzen + toluen, H2O + D2O , 1-propanol + 2-propanol Mieszaniny o dużych odchyleniach od doskonałości: H2O + etanol, n-heksan + kwas octowy Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (7) i T , p io T , p RT ln xi i T , p io T , p RT ln ai ai = aktywność ai = 1 dla i(T, p) = io(T, p) γi = ai /xi Aktywności można wyrazić poprzez współczynniki aktywności ai = xiγi Różne sposoby definiowania stanu odniesienia i T , p io T , p RT ln xi RT ln i Potencjał chemiczny składników w mieszaninie (8) Sposoby definiowania współczynników aktywności („systemy odniesienia”) Symetryczny system odniesienia Dla każdego składnika: xi → 1 γi → 1 i(T,p) = io(T,p) + RTln(xiγi) io(T,p) – potencjał chemiczny czystego składnika Niesymetryczny system odniesienia Dla składnika (składników) występujących w rozcieńczeniu xi → 0 γi * → 1 i(T,p) = io(T,p) + RTln(xiγi*) io(T,p) – potencjał chemiczny składnika „w rozcieńczeniu nieskończenie wielkim, ekstrapolowany do czystej substancji” Pozostałe składniki (występujące w nadmiarze) – definicja jak w symetrycznym układzie odniesienia Jeszcze coś o współczynnikach aktywności (1) μi μio μiid = μio + RTlnxi μi* μi = μio + RTln(xiγi) = μi* + RTln(xiγi*) RTlnxi -∞ 0 μi = μi* + RTlnxi i* = i / i i lim i xi 0 Jeszcze coś o współczynnikach aktywności (2) lnγA,lnγB lnγB∞ lnγA∞ lnγB lnγA 0 xB lnγA* i* = i / i i lim i lnγB* A B xi 0 lnγi* =lnγi - lnγi∞ Dlaczego pewne reakcje zachodzą, a inne nie? Nie zachodzą, bo np. niemożliwa jest reakcja H2O + N2 → CO2 + Fe Ale także niemożliwy jest proces N2 + H2 → 2NH3 - są to ograniczenia stechiometryczne (bilansowe) (1) Niemożliwe są procesy, które nie spełniają wymogu minimalizacji (maksymalizacji) odpowiedniego potencjału termodynamicznego – - są to ograniczenia termodynamiczne (2) Praktycznie nie zachodzą procesy bardzo powolne - są to ograniczenia kinetyczne (3) Ograniczenia termodynamiczne • Proces nie narusza ograniczeń termodynamicznych – nie gwarantuje to jego zachodzenia. • Proces narusza ograniczenia termodynamiczne – oznacza to, że na pewno nie zajdzie. Różniczka zupełna G w układzie otwartym (1) potencjały chemiczne Różniczka zupełna G: dG = -SdT + Vdp + idni Niezależne parametry: p, T, n1, n2,…,nk ? zmienna uniwersalna, niezależna od i Ale przecież mamy prawo stosunków wielokrotnych… 0 ni ni0 i n n i i 0 nj nj j i n j n 0j j ni n i 0 i Zmienna reakcji (współrzędna reakcji, liczba postępu reakcji) Zmienna reakcji (1) ni ni0 i Ponieważ liczbę moli każdego reagenta da się przedstawić jako: ni ni0 i jedynym niezależnym parametrem określającym ilości składników jest ξ. Mamy zatem G(T,p, ξ), a nie G(T,p,n1,n2,…,nk) ! Zmienna reakcji (2) znika przynajmniej jeden produkt ni ni0 znika przynajmniej jeden substrat i 1. Dla początku reakcji (ni = nio), ξ = 0. 2. ξ ,reakcja zachodzi w prawo; ξ ,reakcja zachodzi w lewo. 3. ξ może się zmieniać tylko w ściśle określonych granicach: ξmin ≤ ξ ≤ ξmax ni0 min i i produkty max ni0 i i substraty Zmienna reakcji (3) Wyznaczanie zakresu zmienności ξ - przykład ni ni0 max i ni0 min i substraty i ni0 i i produkty 2HCl(g) + COCl2(g) = H2O(g) + C(grafit) + 2Cl2(g) początkowe liczby moli reagentów: nio brakuje Cl2 ξmin -3 1 HCl(g) 5 2,5 2 COCl2(g) 2 2 3 H2O(g) 4 C(grafit) 2 -2 5 Cl2(g) 1 -0,5 -2 ξmax ξmax/min -0,5 3≤ ξ ≤-3 2 -0,5 0 ξmin brakuje COCl2 2 2,5 ξmax Zmienna reakcji (1) ni ni0 i Ponieważ liczbę moli każdego reagenta da się przedstawić jako: ni ni0 i jedynym niezależnym parametrem określającym ilości składników jest ξ. Mamy zatem G(T,p, ξ), a nie G(T,p,n1,n2,…,nk) ! Różniczka zupełna G w układzie otwartym (2) Różniczka zupełna G: dG = -SdT + Vdp + idni Niezależne parametry: p, T, ξ ni ni0 i ni ni0 i dni i d dG = -SdT + Vdp + (iiidξ i )dξ dG(T,p,ξ) = -SdT + Vdp + (ii)dξ G T , p entalpia swobodna reakcji Warunki zachodzenia reakcji chemicznej (1) dG(T,p,ξ) = -SdT + Vdp + (ii)dξ T,p = const → dG(T,p,ξ) = (ii)dξ dG < 0 dG > 0 dG = 0 reakcja zachodzi → ii < 0 reakcja zachodzi ← ii > 0 równowaga ii = 0 Warunki zachodzenia reakcji chemicznej (2) Wyrażenie na entalpię swobodną reakcji: G i i T , p i (T,p,xi) = io(T,po) + RTlnai gdzie ai = fi / p0 pxii / p0 - dla gazów ale dla gazów doskonałych ai = pxi/po 1 - czysta substancja skondensowana x iγ i - składnik w roztworze ciekłym lub stałym ale dla roztworu doskonałego ai = xi Warunki zachodzenia reakcji chemicznej (3) i = io + RTlnai (∂G/∂ξ)T,p = ii = iio + RT ilnai(ξ) ∆Go = iio standardowa entalpia swobodna reakcji reakcja zachodzi ∆Go + RT ilnai(ξ) < 0 reakcja zachodzi ∆Go + RT ilnai(ξ) > 0 równowaga ∆Go + RT ilnai(ξ) = 0 ∆Go Warunki zachodzenia reakcji chemicznej (4) ∆Go + RT ilnai = 0 G 0 i ln ai RT 0 G i ln a i RT 0 G ln ai i RT 0 G i ai exp RT iloraz reakcji Analogicznie „>” dla ← i „<„ dla → K - stała równowagi Warunki zachodzenia reakcji chemicznej (5) reakcja zachodzi → reakcja zachodzi ← równowaga i a i K i a i K i a i K G 0 K exp RT Istnienie (albo nie) równowagi oraz kierunek zachodzenia procesu może być interpretowany jako wynik relacji między ilorazem reakcji a stałą równowagi Parę słów o stałej równowagi K = exp(-∆Go/RT) 1. Stała równowagi nie jest bytem koniecznym (jak ∆Go), jakkolwiek czasami użytecznym. 2. Zależy tylko od temperatury. 3. Nie zależy od stężenia (!!!), a tylko w stanie równowagi równa się ilorazowi reakcji. i0 T , p0 Stała równowagi K = exp(-∆Go/RT) Warunek równowagi chemicznej i a i K G 0 K exp RT Iloraz reakcji jest funkcją ξ, bo ai zależy od xi, który zależy od ξ ai = pxi i / p0 - dla gazów 1 - czysta substancja skondensowana xiγi - składnik w roztworze ciekłym lub stałym ni xi n j ni ni0 i Jak znaleźć położenie stanu równowagi (1) ? 1. Określenie stanu równowagi możliwe jest przy ustalonych 2 parametrach lub narzuconych więzach na układ (np. p, T = const), ale mogą być też inne: (V, T = const), (Q = 0, p = const), (Q = 0, V = const). Przy mniejszej liczbie więzów, stan równowagi nie zostanie osiągnięty (!). 2. Podstawowy parametr, który określa położenie stanu równowagi, to zmienna reakcji ξ. Znaleźć położenie stanu równowagi, oznacza znaleźć wartość ξ (i wynikające stąd ilości reagentów). 3. Ponieważ w stanie równowagi musi być spełnione równanie i a i K lub jego alternatywna forma: ∆Go + RT ilnai(ξ) = 0, podstawowy algorytm polega na rozwiązaniu któregoś z tych równań względem ξ Jak znaleźć położenie stanu równowagi (2) ? Jeszcze raz to samo Co ? Znaleźć położenie stanu równowagi Jak ? Rozwiązać poniższe równanie względem ξ i a i K To właśnie równanie należy rozwiązać względem zmiennej reakcji (ξ) Możliwe algorytmy Ilustracja graficzna znajdowania ξ* G (∂G/∂ξ)T,p Bezpośrednie znajdowanie minimum G Rozwiązanie równania (metody optymalizacji !!) względem ξ i a i K ξ=0 ξ = ξ* ξ = ξ* ξmin ξ=0 ξmax ξmin ξmax Algorytm obliczeń 3. Rozwiązać poniższe równanie względem ξ i a i K 1. Obliczyć stałą równowagi. 2. Wyrazić iloraz reakcji jako funkcję ξ. Zwykle kolejność jest następująca: 2.1. Najpierw znajduje się zależność ilorazu reakcji od ułamków molowych. 2.2. Następnie wyraża się xi poprzez ξ. Stała równowagi K = exp(-∆Go/RT) Jak wyznaczyć stałą równowagi (1) Standardowa entalpia swobodna reakcji G 0 K exp RT ∆G0 = ∆H0 - T∆S0 Standardowa entropia reakcji (bo: G = H – TS) Standardowa entalpia reakcji Obliczanie ∆H0 Obliczanie ∆S0 T H 0 T H 0 T0 c 0p T dT T0 H 0 T0 i H 0f i T0 Potrzebne T S 0 T S 0 T0 T0 c 0p T T dT S 0 T0 i Si0 T0 H 0fi T0 , Si0 T0 , c0pi T dla każdego reagenta Przykład z życia (1) ai = pxi/po 2N2(g) + O2(g) = 2N2O(g) i a i K Dla niskich i umiarkowanych ciśnień: 2 00 2 x p pxNN 2OO / p K K 20 2 x pxN / pN 2 xO2pxpO / p 0 2 2 2 Wyrażamy xi jako funkcję ξ nio ni n i 0 i xi 1 N2(g) n1o n1o - 2ξ (n1o - 2ξ)/ ∑ni 2 O2(g) n2o n2o - ξ (n2o – ξ)/ ∑ni 3 N2O(g) n3o n3o + 2ξ (n3o + 2ξ)/ ∑ni ∑ni = n1o + n2o + n3o - ξ zwykle = 0 (produkt) Przykład z życia (2) x N2 2O p 0 2N2(g) + O2(g) = 2N2O(g) 2 N2 x xO2 p ni ni0 i nio K xi 1 N2(g) n1o n1o - 2ξ (n1o - 2ξ)/ ∑ni 2 O2(g) n2o n2o - ξ (n2o – ξ)/ ∑ni 3 N2O(g) n3o n3o + 2ξ (n3o + 2ξ)/ ∑ni Uwaga na wielość pierwiastków! ∑ni = n1o + n2o + n3o - ξ n 0 3 2 n 0 1 n 2 0 1 2 n20 n30 p 0 n 2 0 2 p K Rozwiązać to równanie względem ξ Wpływ różnych czynników na położenie stanu równowagi (T, p, gaz obojętny) a i i > < = = reakcja w lewo ← K reakcja w prawo → brak wpływu 1. Układ jest w stanie równowagi. 2. Stan równowagi ulega zaburzeniu pod wpływem jakiegoś czynnika. 3. Co wymusza określony bieg reakcji aż do osiągnięcia ponownego stanu równowagi. Wpływ temperatury na położenie stanu równowagi (1) a K T i i 1. Od temperatury zależy silnie prawa strona (K). 2. Wpływ temperatury na iloraz reakcji (poprzez współczynniki lotności lub aktywności) jest znikomy. 3. Do wyjaśnienia – jak K zależy od temperatury? Zależność stałej równowagi od temperatury (1) G 0 K exp RT G T ln K RT 0 ΔG0 zależy od temperatury, bo ΔG0(T) = ΔH0(T) - TΔS0(T) Do wyjaśnienia – jak ΔG0 (lub G) zależy od temperatury? zależy od T poprzez Δcp0 Równanie Gibbsa-Helmholtza dG(T,p,ξ) = -SdT + Vdp + (ii)dξ G S T p , G S T p , W wyrażeniu na K występuje jednak ∆G/T …. G = H – TS → H = G + TS G H G T T p , Jak obliczyć H na podstawie G? Daje to związek pomiędzy H i G – dwiema entalpiami. Alternatywna forma: G / T H 1 T p , równanie Gibbsa-Helmholtza G 0 K exp RT Zależność stałej równowagi od temperatury (2) G T ln K RT 0 1 T (1 / T ) G /T 1 1 2 H 1 T T T T 1 p , 1 G 0 / T ln K 1 R T 1 T p , p , H 0 R zamieniamy na zwykłą pochodną po T 0 ln K ln K T H 1 1 T p , T p , T p , R H ln K 2 T R T p , 0 H 0 ln K 2 T p , RT T 2 Wpływ temperatury na położenie stanu równowagi (2) 0 ln K H 2 T RT p , Charakter zależności K = f(T) zależy od znaku ΔH0. ΔH0 < 0 – reakcja egzotermiczna: T K ΔH0 > 0 – reakcja endotermiczna: T K a <> K i i 1. ΔH0 < 0, reakcja egzotermiczna: T K reakcja ← 2. ΔH0 > 0 – reakcja endotermiczna: T K reakcja → Wpływ ciśnienia na położenie stanu równowagi (1) a , p K i i 1. Od ciśnienia zależy jedynie lewa strona (iloraz reakcji). 2. Wpływ ciśnienia na współczynniki aktywności faz skondensowanych (γi) może być pominięty – w praktyce iloraz reakcji zależy od p tylko dla reagentów gazowych. 3. Wpływ ciśnienia na współczynniki lotności (ϕi) może być również nie brany pod uwagę, ze względu na dominację ciśnienia występującego w jawnej postaci. ai pxii / p0 pxi / p0 Wpływ ciśnienia na położenie stanu równowagi (2) i i i a a a i i i K c,s pxi i ai 0 c,s g p g i xi a 0 c,s g p i i i p i K g i Ap g K Charakter wpływu ciśnienia na położenie stanu równowagi zależy od wyrażenia 0 V i g Wpływ ciśnienia na położenie stanu równowagi (3) i =< K Ap g > 1. ∑i(g) (ΔV0 ) = 0: p nie wpływa na stan równowagi 2. ∑i(g) (ΔV0 ) > 0: p L reakcja ← 3. ∑i(g) (ΔV0 ) < 0: p L reakcja → Wpływ gazu obojętnego na położenie stanu równowagi i i i a a a i i i K c,s g i pxi ai 0 K c,s g p i i pni ai 0 K c,s g p N i A N i K AN g K i g Wpływ gazu obojętnego jest odwrotny do wpływu ciśnienia. Tzn. że wzrost ilości gazu daje taki sam efekt jak zmniejszenie ciśnienia. Reguła przekory – analiza jakościowa (1) Rozważane czynniki mogą być opisane za pomocą jednej reguły jakościowej – tzw. reguły przekory. Zaburzenie stanu równowagi powoduje takie zmiany w układzie, których skutkiem jest zminimalizowanie zaistniałego zaburzenia Reguła przekory – przykład (2) N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g) ∆H0(T=298 K) = 2·(-45,9) = -91,8 kJ/mol < 0 ∑i(g) = -1 - 3 + 2 = - 2 < 0 1. T : co może zrobić reakcja ? a) →, wydzielając energię na sposób ciepła i podwyższając T, albo b) ←, pochłaniając energię i minimalizując wzrost T. 2. p : co może zrobić reakcja ? a) →, zmniejszając ilości reagentów gazowych i redukując p, albo b) ←, zwiększając ilości reagentów gazowych i podwyższając jeszcze p.