Модуль Химиялық термодинамика және тепе-тендік Дәріс Химиялық термодинамиканың негіздері

Химиялық тепе–теңдік сандық жағынан берілген температура үшін тұрақты шама тепе–теңдік константасымен сипатталады. Тепе–теңдік константасы реакция өнімдерінің стехиометриялық коэффициентеріне дәрежеленген тепе – теңдік концентрация көбейтіндісінің бастапқы заттардың сондай концентрация көбейтіндісінің қатынасымен анықталады. Келесі реакция үшін:

Тепе – теңдік реагенттердің парциаль қысымдары арқылы өрнектелсе, химиялық тепе – теңдік константасы келесідей тәуелділікті көрсетеді:

Тепе–теңдік константасы әрекеттесуші заттар табиғатынан, температурадан тәуелді, концентрациядан, активтіліктен, қысымнан тәуелсіз. K_c, K_р – газтәріздес реагентердің моль сандары өзгере жүретін реакциялар үшін өлшемсіз шамалар. Басқа жағдайларда:

Химиялық тепе–теңдік константасы стандартты жағдайда химиялық реакцияның G және F шамаларымен байланысты:

Әрекеттесуші заттардың берілген концентрациялары немесе парциал қысымдарындағы химиялық реакцияларда G және F өзгерістерін химиялық реакцияның изотерма теңдеуі арқылы есептеуге болады.

Бұл теңдеулер (6.8), (6.9) химиялық реакцияның изотерма теңдеулері. (6.8) – теңдеуі изобаралы – изотермиялық процесс үшін, (6.9) – изохоралы – изотермиялық үшін. Көрсетілген теңдеулер термодинамикалық потенциалдар G, F өзгеруі мен химиялық тепе – теңдік константалар K_р, K_c арасындағы тәуелділікті көрсетеді. Химиялық реакция изотерма теңдеулері бойынша берілген жағдайда Гиббс және Гельмгольц энергиялар өзгерісін есептеуге, процестің өздігінен өту бағытын анықтауға болады.

Егер

Химиялық реакция изотерма теңдеуінен Гиббс энергиясының мәні және таңбасы және салыстырмалы мәндерінен тәуелді екенін көруге болады. ( ) Егер

реакция тепе – теңдік күйде.

N₂ + 3H₂ 2NH₃+ 92,3 кДж

Температура өзгерісінің тепе– теңдік константасына әсерін сандық жағынан изобара және изохора теңдеулері көрсетеді.

Химиялық реакцияның изобара теңдеуі р = соnst.
(6.10)
Химиялық реакцияның изохора теңдеуі V =const.
(6.11)
Изобара және изохора теңдеулері реакция бағытын анықтауға, тепе – теңдік константасының температурадан тәуелділігін бағалауға мүмкіндік береді.

және шамаларын химиялық тепе – теңдік константасы логарифмінің температуралық коэффициенті дейді. Тепе–теңдік константасының температурадан тәуелділігі химиялық реакцияның жылу эффектісі таңбасы мен мәнімен анықталады.

Егер Н  0, Т – ның өсуімен K_р кемиді;

Н  0, Т – ның өсуімен K_р артады;

Н = 0, K_р температурадан тәуелсіз

Теңдеуді Т₁ - ден Т₂ аралығында интегралдасақ:
(6.12)

, – Т₁ және Т₂ температурадағы тепе – теңдік константалары.

Егер химиялық реакцияның жылу эффектісі және қандай да бір температурадағы тепе – теңдік константасы белгілі болса, соңғы теңдеу арқылы басқа температурадағы тепе – теңдік константасын есептеуге болады.

1. Химиялық тепе – теңдік сипаттамасы.

2. Тепе – теңдік константасын тепе – теңдік концентрациялар және қысым арқылы өрнектеңіз.

3. Әрекеттесуші массалар заңын сипаттаңыз.

4. Егер жүйені идеалды деп қарастырсақ, К_С және К_Р тепе – теңдік константталарына қандай факторлар әсер етеді?

5. Тепе – теңдік константасы температура мен қысымнан тәуелді ме және қалай?

6. A+BC+D химиялық реакциясы үшін К_С және К_Р тепе – теңдік константалары арасында қандай байланыс бар, егер барлық реагенттер идеалды газтәріздес күйде болса?

7. Тепе – теңдік константасын есептеу жолдарын келтіріңіз.

1. 
   Негізгі анықтамалар. Гиббстің фазалар ережесі.
   
2. 
   Фаза аралық тепе-тендік, күй диаграммалары.
   
3. 
   Бір және екі компонентті гетерогенді жүйелердің күй диаграммалары
   
4. 
   Қаныққан бу қысымының температураға тәуелдігі. Рауль зандары
   

Термодинамикалық жүйелер гомогенді және гетерогенді болып бөлінеді. Гомогенді жүйе бір ғана фазадан, ал гетерогенді жүйе - екі немесе одан да көп фазалардан тұрады.

Жүйені фаза санына байланысты бір фазалы, екі фазалы, үш фазалы, көп фазалы деп бөледі.

Жүйеден тыс жеке өмір сүре алатын оның негізгі құрамдас бөлігі болып келетін жеке химиялық затты компонент дейді.

Термодинамикалық жүйенің барлық фазаларын түзуге және кез–келген фазасының құрамын математикалық өрнектеуге қажетті жеке химиялық заттың ең аз санын компонент саны дейміз.

Компонент саны бойынша жүйені бір компоненті, екі компоненті және тағы әрі қарай бөледі.

Жүйе күйі еркіндік дәреже санымен сипаталады.

Жүйедегі тепе–теңдікті, яғни, фазалар санын бұзбай өзгертуге болатын термодинамикалық параметрлер санын еркіндік дәреже саны дейді. Оны с әрпімен белгідейді. Еркіндік дәреже саны бойынша жүйені инвариантты немесе вариантсыз (с=0), моновариантты (с=1), бивариантты (с=2).

Гиббстің фазалар ережесі. Клаузиус-Клапейрон теңдеуі

Жүйенің фазалық күйі фазалар санымен (ф), тәуелсіз компонент санымен (к), еркіндік дәреже санымен (с) және жүйеге әсер етуші сыртқы факторлар санымен (n) сипатталады. Тепе–теңдіктегі жүйенің осы сипаттамаларының арасындағы байланыс Гиббстің фазалар ережесімен анықталады:

Тепе–теңдік күйдегі жүйеге сыртқы факторлардан температура мен қысым әсер етсе, еркіндік дәреже саны компоненттер санынан фазалар санын алып, оған екіні қосқанға тең болады:

Егер сыртқы факторлардан жүйеге тек температура әсер етсе, ал қысым тұрақты (немесе керісінше), онда фазалар ережесі келесідей болады:

(7.4)

мұндағы – фазалық ауысу жылуы;

Т – фазалық ауысу температурасы;

∆V – фазалық ауысу кезіндегі жүйенің молярлы көлемінің өзгерісі.

∆ V = V₂ – V₁, егер V₂ >> V₁

Температура жоғарлаған сайын сұйықтық бетіндегі қаныққан бу қысымы әрқашанда артады. Балқу процесі үшін теңдеуді келесідей түрде жазуға болады:

Клаузиус-Клапейрон теңдеуінің дифференциалды түрі келесідей болады:

Бір компонентті жүйелер үшін фазалар ережесі:

Күй диаграммасын талдау фазалар санын, олардың болу (өмір сүру) шекарасын, ондағы компоненттердің әрекеттесу сипаттамасын, қайтадан түзілген қосылыстардың барын, олардың құрамын анықтауға мүмкіндік береді.