11.4: Ентропія та ентальпія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23089

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Результати навчання

Згадаймо значення екзотермічного і ендотермічного.
Визначте ентропію.
Передбачте, чи збільшується чи зменшується зміна ентропії для реакції.

Раніше ви дізналися, що хімічні реакції або поглинають, або виділяють енергію в міру їх виникнення. Зміна енергії - один з факторів, що дозволяє хімікам передбачити, чи відбудеться певна реакція. У цьому уроці ви дізнаєтеся про другу рушійну силу хімічних реакцій під назвою ентропія.

Ентальпія як рушійна сила

Переважна більшість природних реакцій є екзотермічними. В екзотермічній реакції реагенти мають відносно велику кількість енергії порівняно з продуктами. У міру протікання реакції енергія викидається в оточення. Низька енергія може розглядатися як забезпечення більшого ступеня стабільності хімічної системи. Так як енергія системи зменшується під час екзотермічної реакції, продукти системи більш стійкі, ніж реагенти. Можна сказати, що екзотермічна реакція - це енергетично сприятлива реакція.

Якби рух до нижчої енергії був єдиним міркуванням того, чи здатна реакція відбутися, ми б очікували, що ендотермічні реакції ніколи не можуть відбутися спонтанно. При ендотермічній реакції енергія поглинається під час реакції, і продукти, таким чином, мають більшу кількість енергії, ніж реагенти. Це означає, що продукти менш стійкі, ніж реагенти. Тому реакція не відбулася б без деякого зовнішнього впливу, такого як стійке нагрівання. Однак ендотермічні реакції відбуваються спонтанно, або природно. Крім зміни ентальпії, повинна бути ще одна рушійна сила, яка сприяє спонтанній хімічній реакції.

Ентропія як рушійна сила

Дуже простий ендотермічний процес - це процес танення кубика льоду. Енергія передається з приміщення в кубик льоду, змушуючи його переходити з твердого стану в рідке.

\[\ce{H_2O} \left( s \right) + 6.01 \: \text{kJ} \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right)\]

Твердий стан води, льоду, дуже впорядкований, оскільки її молекули закріплені на місці. Процес плавлення звільняє молекули води від їх мережі, пов'язаної з воднем, і дозволяє їм більший ступінь руху. Вода більш невпорядкована, ніж лід. Зміна від твердого до рідкого стану будь-якої речовини відповідає збільшенню розладу системи.

Існує тенденція в природі для систем, щоб перейти до стану більшого розладу або випадковості. Ентропія - це міра ступеня випадковості або розладу системи. Ентропія - це легка концепція для розуміння, коли думаєте про повсякденні ситуації. Коли шматочки головоломки скидаються з коробки, шматки природно потрапляють на стіл в дуже випадковому стані. Для того щоб скласти пазл воєдино, необхідно провести величезну роботу купола для того, щоб подолати природну ентропію шматочків. Ентропія приміщення, яке нещодавно було прибрано та організовано, низька. З плином часу він, швидше за все, стане більш невпорядкованим, і таким чином його ентропія буде збільшуватися (див. Малюнок нижче). Природна тенденція системи полягає в збільшенні її ентропії.

Хімічні реакції також мають тенденцію протікати таким чином, щоб збільшити загальну ентропію системи. Як можна визначити, чи показує певна реакція підвищення або зниження ентропії? Стани реагентів і виробляє дають певні підказки. Загальні випадки нижче ілюструють ентропію на молекулярному рівні.

Для даної речовини ентропія рідкого стану більше, ніж ентропія твердого стану. Так само ентропія газу більше, ніж ентропія рідини. Тому ентропія збільшується в процесах, при яких тверді або рідкі реагенти утворюють газоподібні продукти. Ентропія також збільшується, коли тверді реагенти утворюють рідкі продукти.
Ентропія збільшується, коли речовина розпадається на кілька частин. Процес розчинення збільшує ентропію, оскільки розчинені частинки відокремлюються одна від одної при утворенні розчину.
Ентропія збільшується з підвищенням температури. Підвищення температури означає, що частинки речовини мають більшу кінетичну енергію. Швидше рухаються частинки мають більше розладу, ніж частинки, які рухаються повільніше при більш низькій температурі.
Ентропія, як правило, збільшується в реакціях, в яких загальна кількість молекул продукту перевищує загальну кількість молекул реагентів. Винятком з цього правила є те, коли з газоподібних реагентів утворюються негазоподібні продукти.

Наведені нижче приклади послужать для ілюстрації того, як можна передбачити зміну ентропії реакції.

\[\ce{Cl_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{Cl_2} \left( l \right)\]

Ентропія зменшується, оскільки газ стає рідиною.

\[\ce{CaCO_3} \left( s \right) \rightarrow \ce{CaO} \left( s \right) + \ce{CO_2} \left( g \right)\]

Ентропія збільшується, оскільки виробляється газ, а кількість молекул збільшується.

\[\ce{N_2} \left( g \right) + 3 \ce{H_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{NH_3} \left( g \right)\]

Ентропія зменшується, оскільки чотири загальні молекули реагентів утворюють дві загальні молекули продукту. Все це гази.

\[\ce{AgNO_3} \left( aq \right) + \ce{NaCl} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NaNO_3} \left( aq \right) + \ce{AgCl} \left( s \right)\]

Ентропія зменшується, оскільки з водних реагентів утворюється тверда речовина.

\[\ce{H_2} \left( g \right) + \ce{Cl_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{HCl} \left( g \right)\]

Зміна ентропії невідома (але, ймовірно, не нульова), оскільки по обидва боки рівняння є однаковою кількістю молекул, і всі вони є газами.