Уравнение изотермы химической реакции

 

Рассмотрим реакцию, протекающую в газовой фазе при постоянной температуре Т:

νАA + νВВ ↔ νСС + νDD .

Пусть все реагенты представляют собой идеальные газы.

Сумма произведений химических потенциалов на стехиометрические коэффициенты представляет собой изменение общей энергии Гиббса гомогенной системы:

. (8)

Для рассматриваемой реакции выражение (8) можно записать следующим образом:

(9)

Химический потенциал каждого из участников реакции описывается выражением:

. (10)

С учетом этого энергия Гиббса реакции равна:

, (11)

где .

Тогда выражение (11) можно записать следующим образом:

, (12)

или в общем виде:

. (13)

Полученное уравнение называют уравнением изотермы химической реакции для неравновесного состояния системы. Первое слагаемое представляет собой стандартную энергию Гиббса реакции, т.е. энергию Гиббса реакции, парциальные давления участников которой равны 1 бар. Во втором слагаемом под знаком логарифма стоят величины Рi, представляющие собой неравновесные парциальные давления реагирующих веществ.

При достижении равновесия в соответствии с уравнением (1) ∆G = 0, и из уравнения (13) получим уравнение изотермы химической реакции для равновесного состояния:

. (14)

Следует помнить, что в последнем выражении под знаком логарифма стоит отношение произведений равновесных значений парциальных давлений продуктов и реагентов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Это произведение принято называть константой равновесия химической реакции. С учетом константы равновесия уравнение изотермы химической реакции (13) можно переписать в виде:

. (15)

Выражения (13) – (15) играют чрезвычайно важную роль в прикладной термодинамике:

• используя справочные термодинамические данные для расчета ∆Go (смотри методы расчета энергии Гиббса химических реакций), можно, не проводя эксперимента, определить константу равновесия и состав равновесной смеси;

• если известны стандартная энергия Гиббса реакции (или константа равновесия) и парциальные давления реагирующих веществ в момент их смешения, можно по знаку ∆G судить о направлении процесса,

• второе слагаемое в уравнении изотермы представляет собой функцию текущих значений парциальных давлений (концентраций) участников реакции, поэтому с его помощью можно оценить значения давлений (концентраций) веществ, при которых процесс будет осуществляться в желаемом направлении при T = const.