Условия равновесия для химической реакции.

Рассмотрим реакцию: N_{2 газ} + 3 Н_{2 газ} 2 NН_{3 газ} протекающую при р, Т = const. Изменения количеств веществ в результате химической реакции связаны между собой. Пусть изменение числа молей N₂ будет –0,2 моль; тогда изменение чисел молей (Dn ) Н₂ и NH₃, будет, соответственно: –3×0,2-0,6 и 2×0,2=0,4моль. Таким образом видно, что

Но отношения будут одинаковыми для всех участников реакции.

 

= = = = 0,2

При этом принято, что n_i > 0 – для продуктов реакции, n_i < 0 – для исходных веществ.

Величина называется степенью полноты протекания реакции, химической переменной или числом пробегов реакции.

Для любой химической реакции:

, (1)

где (ξ– химическая переменная).

Можно показать, что если m_i = сonst (т.е. если состав системы не меняется), то после интегрирования уравнения (1) получается

(n_i > 0 – для продуктов, n_i < 0 – для исходных веществ).

Для одного пробега реакции, т.е. в случае, когда ξ = 1 (когда прореагировали вещества в количествах, равных их стехиометрическим коэффициентам: Dn_i = n_i), в условиях постоянного состава системы (в условиях бесконечно большого количества всех компонентов, когда химический потенциал m_i = сonst) изменение энергии Гиббса равно:

или

Проанализируем последнее выражение.

1) Если DG < 0, то

(2)

В этом случае реакция может протекать самопроизвольно слева направо при постоянных температуре и давлении.

2) Пусть DG > 0, тогда

(3)

В этом случае реакция может протекать самопроизвольно справа налево при постоянных температуре и давлении.

3) Пусть DG = 0, тогда

(4)

Система находится в состоянии равновесия.

Условия (2–4) – условия направленности и равновесия процессов для любой химической реакции.

Стандартные условия протекания реакции.

В термодинамике под стандартными условиями понимают, что начальные активности всех компонентов a_i равны единице, т.е. все a_i = 1 (в случае идеальных газов это будет, когда все р_i = 1 атм), причем начальные количества веществ будут настолько велики (бесконечно большие), что их изменение в результате протекания 1 пробега химической реакции не скажется на изменении состава исходной смеси, т.е. на протяжении реакции активности всех компонентов останутся постоянными и равными единице.

Тогда m_i = m_i⁰ (поскольку m_i = m_i⁰ + RT lna_i). В результате получим:

(5)

(n_i > 0 – для продуктов, n_i < 0 – для исходных веществ).

При равновесии будем иметь:

, (6)

DG⁰ – стандартное изменение энергии Гиббса в результате одного пробега химической реакции, протекающей при описанных выше стандартных условиях, (причем не тогда, когда р_общ. = 1 атм, а когда р_i всех участников реакции равны 1 атм и постоянны).