4. Энергия Гиббса. Направленность протекания самопроизвольных химических процессов.

Энергия Гиббса (или изобарно – изотермический потенциал) является обобщенной функцией состояния системы, учитывающей энергетику и неупорядоченность системы при изобарно – изотермических условиях. Названа она в честь одного из основателей химической термодинамики, американского ученого Джозайи Уилларда Гиббса (1839 – 1903). Изменение энергии Гиббса для биохимических процессов в условиях, отличных от стандартных, можно рассчитать на основе экспериментальных значений ∆Н и ∆S для этих процессов по уравнению:

∆G =∆Н - Т∆S,

где ∆Н - характеризует полное изменение энергии системы при p,T = const и отражает стремление системы к минимуму энергии (энтальпийный фактор);

Т∆S – характеризует ту часть энергии, которую нельзя превратить в работу, и отражает стремление системы к максимуму неупорядоченности (энтропийный фактор);

∆G – характеризует ту часть энергии, которую можно перевести в работу, и является термодинамическим критерием самопроизвольного протекания любых процессов при p,T = const.

Химические процессы могут протекать самопроизвольно (без затрат энергии извне) и несамопроизвольно (требуют для своего осуществления затрат энергии). Направление, в котором самопроизвольно протекает химическая реакция, определяется совместным действием двух факторов:

1) стремлением системы к минимуму энергии (при Р = const - к минимуму энтальпии);

2) стремлением системы к достижению наиболее вероятного состояния, т.е. состояния, которое может быть реализовано наибольшим числом равновероятных способов (микросостояний, характеризующихся определенным состоянием каждой частицы, входящей в состав системы).

5. Термодинамический закон Гесса. Тепловой эффект реакции

Закон Гесса является основным законом термохимии. Он гласит: тепловой эффект процесса не зависит от пути его протекания (промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы при условии, что давление и температура или объем системы и температура в ходе всего процесса остаются постоянными.

Закон Гесса позволяет рассчитывать тепловые эффекты реакций, если известны тепловые эффекты других реакций с участием тех же веществ. Из закона Гесса следует два важных следствия.

1. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и исходных веществ (с учетом стехиометрических коэффициентов).

2. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции (с учетом стехиометрических коэффициентов).

Тепловой эффект химической реакции — это количество теплоты, которое поглощается или выделяется в результате протекания химической реакции. Если исходные вещества были менее устойчивыми (поглощается небольшое количество энергии), а образуются устойчивые (выделяется большое количество энергии), то в результате химической реакции выделяется тепловой эффект. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты. Например, при сгорании угля: C(тв) + O2 (г) = CO2 (г) + Q. Чтобы запустить эту и некоторые другие реакции, нужна инициация, или, проще говоря, пинок. В случае с реакцией горения угля это нагрев (поджигание). К экзотермическим реакциям относятся реакции горения и реакции соединения.

Исключение: При образовании оксида азота (II) и йодоводорода реакции протекают с поглощением теплоты: N2 (г) + O2 (г) = 2NO (г) − 180 кДж.

Эндотермические реакции протекают с поглощением теплоты. Количество поглощенной теплоты указывают со знаком «−». К эндотермическим реакциям чаще всего относят реакции разложения. Например, реакции разложения нитрата калия и карбоната кальция: 2KNO3(тв) → 2KNO2(тв) + O2 (г) – Q;

CaCO3(тв) = CaO(тв) + CO2 (г) − 170 кДж