Καθ. Ι. ΠασπαλιάρηςΕργαστήριο Μεταλλουργίας ΕΜΠΚαθ. Ι. Πασπαλιάρης

Εργαστήριο Μεταλλουργίας ΕΜΠ

ΜάθημαΜάθημα

ΕντροπίαΕλεύθερη Ενέργεια

ΕντροπίαΕλεύθερη Ενέργεια

Εξαγωγική ΜεταλλουργίαΕξαγωγική Μεταλλουργία

Slide 2

Αυθόρμητες χημικές αντιδράσειςΑυθόρμητες χημικές αντιδράσεις

Η αντίδραση οξείδωσης ενός μετάλλου μπορεί να γραφτεί στηγενική της μορφή

2x M(s) + y O2(g) = 2 MxOy

Τα ερωτήματα που τίθενται είναι:

Η οξείδωση του μετάλλου M(s) είναι αυθόρμητη χημικήαντίδραση και κάτω από ποιες συνθήκες;Δηλαδή αν αφήσω το μέταλλο στο περιβάλλον αυτό θαμετατραπεί σε οξείδιο ή όχι; Αν η οξείδωση δεν γίνεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντοςσε τι συνθήκες μπορεί να συμβεί;

Slide 3

Αυθόρμητες χημικές αντιδράσειςΑυθόρμητες χημικές αντιδράσεις

Αν υποθέσουμε ότι θέλω να χρησιμοποιήσω τηναντίστροφη διαδικασία, δηλαδή να παράγω ένα μέταλλο μεθερμική διάσπαση του οξειδίου του, μπορώ να καταλάβωαν αυτό είναι εφικτό;

2 MxOy (s) = 2x M(l) + y O2(g)

Είναι η παραπάνω αντίδραση εφικτή και κάτω από ποιεςσυνθήκες;Γενικά, μπορώ να προβλέψω αν πότε κάποια χημικήαντίδραση μπορεί να συμβεί ή όχι;

Slide 4

Αυθόρμητες χημικές αντιδράσειςΑυθόρμητες χημικές αντιδράσεις

Οι χημικέςαντιδράσεις πουσυμβαίνουν στηνυψικάμινο φαίνονταιστο διπλανό σχήμα.

Πώς μπορώ ναπροβλέψω σε ποιαθερμοκρασία μπορείνα συμβεί η κάθε μιαγια να είναι εφικτήη μετατροπή τωνοξειδίων πουσιδήρου σε σίδηρο;

Slide 5

Επομένως, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να μπορούμε ναπροβλέψουμε αν μία χημική αντίδραση μπορεί να συμβεί ήόχι, και κάτω από ποιες συνθήκες μπορεί να συμβεί.Μια χημική αντίδραση που συμβαίνει κάτω από ορισμένεςσυνθήκες ονομάζεται αυθόρμητη χημική αντίδραση.Μια χημική αντίδραση που δεν συμβαίνει κάτω απόορισμένες συνθήκες ονομάζεται μη-αυθόρμητη χημικήαντίδραση.

Εντροπία και αυθόρμητες χημικές αντιδράσειςΕντροπία και αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις

Slide 6

Εντροπία και αυθόρμητες χημικές αντιδράσειςΕντροπία και αυθόρμητες χημικές αντιδράσεις

• Μια αυθόρμητη χημική αντίδραση μετατοπίζει πάντα τααντιδρώντα στην κατεύθυνση της ισορροπίας

• Η ταχύτητα της αντίδρασης δεν εξαρτάται από το εάν είναιαυθόρμητη ή όχι.

Slide 7

Ελεύθερη ενέργεια G Ελεύθερη ενέργεια G

Για να μπορέσουμε να προβλέψουμε αν μια χημικήαντίδραση μπορεί να συμβεί σε κάποια

θερμοκρασία ή όχι πρέπει να υπολογίσουμε έναθερμοδυναμικό μέγεθος που ονομάζεταιελεύθερη ενέργεια ή ελεύθερη ενθαλπία.

H μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας είναισυνάρτηση της μεταβολής της ενθαλπίας και της

εντροπίας της χημικής αντίδρασης.

ΔGT = ΔHT - TΔST

Slide 8

Τι αντιπροσωπεύει η εντροπίαΤι αντιπροσωπεύει η εντροπία

Η εντροπία (S) είναι το μέτρο της τάξης ή τηςαταξίας ενός συστήματος.Μεγαλύτερη αταξία σημαίνει μεγαλύτερηεντροπίαΗ φύση τείνει σε καταστάσεις μεγαλύτερηςεντροπίας

Slide 9

Εντροπία στερεής, υγρής και αέριας φάσηςΕντροπία στερεής, υγρής και αέριας φάσης

Ssolid < Sliquid < Sgas

H πρότυπη εντροπία Sο ενός σώματος είναι ηεντροπία σε Θερμοκρασία 25 οC και πίεση 1 atm Η μεταβολή της εντροπίας είναι ΔS = S2 – S1

Slide 10

Εντροπία και αταξίαΕντροπία και αταξία

• H διάσπαση του μορίου Ν2Ο4 σε δύο μόρια ΝΟ2 οδηγείσε αύξηση της εντροπίας του συστήματος

Slide 11

• H διάλυση του μορίου ΝaCl σε νερό Η2Ο οδηγεί σε αύξησητης εντροπίας

Εντροπία και αταξίαΕντροπία και αταξία

Slide 12

Μεταβολή της εντροπίας με τη θερμοκρασίαΜεταβολή της εντροπίας με τη θερμοκρασία

H εντροπία μιας τέλειακρυσταλλωμένηςουσίας στους 0 Κ είναιμηδένΗ εντροπία αυξάνει μετη θερμοκρασίαΣτο σημεία τήξης καιστο σημείο βρασμούυπάρχει μια βηματικήαύξηση στην εντροπία

Slide 13

Πρότυπη Εντροπία χημικών ενώσεωνΠρότυπη Εντροπία χημικών ενώσεων

Γιατί η πρότυπηεντροπία των

χημικών στοιχείωνδεν είναι μηδένενώ η πρότυπηενθαλπία τουςείναι μηδέν

Slide 14

Πρότυπη Εντροπία χημικών ενώσεωνΠρότυπη Εντροπία χημικών ενώσεων

Γιατί η πρότυπηεντροπία διαμαντιούείναι μικρότερη από

του γραφίτη

Slide 15

Πρότυπη Εντροπία χημικών ενώσεων 07Πρότυπη Εντροπία χημικών ενώσεων 07

Μπορείτε να προβλέψετε τη μεταβολή (αύξηση ή μείωση) τηςεντροπίας των παρακάτω χημικών αντιδράσεων

Slide 16

Η πρότυπη ΔSο για μια χημική αντίδραση υπολογίζεταιαπό τη σχέση

Υπολογισμός της Πρότυπης ΕντροπίαςΧημικών ΑντιδράσεωνΥπολογισμός της Πρότυπης ΕντροπίαςΧημικών Αντιδράσεων

Slide 17

Πρότυπη Εντροπία χημικών αντιδράσεωνΠρότυπη Εντροπία χημικών αντιδράσεων

Με βάση τους πίνακες υπολογίστε την μεταβολή τηςπρότυπης εντροπίας των χημικών αντιδράσεων

Slide 18

Μεταβολή της Εντροπίας Χημικής Ένωσης σε θερμοκρασίαδιαφορετική της πρότυπηςΜεταβολή της Εντροπίας Χημικής Ένωσης σε θερμοκρασίαδιαφορετική της πρότυπης

Re

Re

1 2f

f

Tm T

T T pC m pCTm

dT dTS S c S cT TΤ

= + Δ + Δ + Δ∫ ∫

Μεταβολή εντροπίας σεπρότυπες συνθήκες

Μεταβολή εντροπίαςαπό πρότυπες

συνθήκες μέχρι σημείοτήξης

Μεταβολή εντροπίαςκατά την τήξη

Μεταβολή εντροπίαςαπό σημείο τήξης

μέχρι θερμοκρασία Τ

Slide 19

Μεταβολή της Εντροπίας Χημικής Αντίδρασης σεθερμοκρασία διαφορετική της πρότυπηςΜεταβολή της Εντροπίας Χημικής Αντίδρασης σεθερμοκρασία διαφορετική της πρότυπης

Re Re

Re Re Re

R

Re

R

Re

e Re

Re Re

e R

( ) ( ) ( ) (

( ) (

) ( )

( ) ( ) ( )

)

(

) (

)

)

(

f f f f f

f

f

f

f

f f

f

TT T TT T

T T T T T

T T TT T T

TT T

S

aA

S R c S C d S D a S

bB cC dD

S ό c S C d S D

S ώ a S

R S R ώ

A b S

S

B

S όπ

προι ντων

αντιδρ ν

ροι ντων αντιδρ ντων

των

⎡ ⎤ ⎡ ⎤Δ = Δ + Δ − Δ + Δ⎣ ⎦

Δ = Δ + Δ −Δ

+ = +

⎡ ⎤Δ = Δ + Δ⎣ ⎦

Δ = Δ

⎣ ⎦

Re

e

e Re

R

1 2

( ) ( )f f

f

f

Tm TTT

pC

T TT

m pCTm

dT dTS

A b S B

S c S cT TΤ

Δ = Δ +

⎡ ⎤+ Δ⎣ ⎦

Δ + Δ + Δ∫ ∫

Slide 20

Μεταβολή της Εντροπίας Χημικής Αντίδρασης σεθερμοκρασία διαφορετική της πρότυπηςΜεταβολή της Εντροπίας Χημικής Αντίδρασης σεθερμοκρασία διαφορετική της πρότυπης

Re Re

Re Re Re

R

Re

R

Re

e Re

Re Re

e R

( ) ( ) ( ) (

( ) (

) ( )

( ) ( ) ( )

)

(

) (

)

)

(

f f f f f

f

f

f

f

f f

f

TT T TT T

T T T T T

T T TT T T

TT T

S

aA

S R c S C d S D a S

bB cC dD

S ό c S C d S D

S ώ a S

R S R ώ

A b S

S

B

S όπ

προι ντων

αντιδρ ν

ροι ντων αντιδρ ντων

των

⎡ ⎤ ⎡ ⎤Δ = Δ + Δ − Δ + Δ⎣ ⎦

Δ = Δ + Δ −Δ

+ = +

⎡ ⎤Δ = Δ + Δ⎣ ⎦

Δ = Δ

⎣ ⎦

e Re

Re

1 2

Re

Re 1

Re

2 2

2 2Re Re

Re Re

1 1 1ln( ) ( ) (( ) ( )

( ) (

2

)

2

f f

f

f

f

f

Tm TTT

pC m pCTm

p

TmT m

T pC m f

T TT

m ff m f

mm

m

dT dTS S c S cT T

c a bT cT dT

TdT cS c a b T

A b S B

TT

HST

Τ

−

Τ

Δ = Δ + Δ +

⎡ ⎤

Δ + Δ

= + + +

Δ = Δ = + −Τ + −Τ − −

+ Δ⎣ ⎦

Τ Τ Τ

ΔΔ =

∫ ∫

∫

Slide 21

Υπολογισμός Μεταβολής ΕντροπίαςΥπολογισμός Μεταβολής Εντροπίας

Re 1

Re

2 2

2 2Re Re

Re Re

1 1 1ln( ) ( ) (( ) ( )2 2f

f

p

TmT m

T pC m f m ff m f

mm

m

c a bT cT dT

TdT cS c a b T TT

HST

−

Τ

= + + +

Δ = Δ = + −Τ + −Τ − −Τ Τ Τ

ΔΔ =

∫

Slide 22

Μεταβολή Εντροπίας Pb στους 1000 ΚΜεταβολή Εντροπίας Pb στους 1000 Κ

Re

Re

1 2f

f

Tm TTT

pC m pCTm

dT dTS S c S cT TΤ

= + Δ + Δ + Δ∫ ∫

200 400 600 800 1000

15

20

25

30Entropy of Pb

Temperature, K

Entro

py, c

al /

K m

ol25.964

14

ΔS ReftoT T( )

4.182

1 103

×273 T

mm

m

HSTΔ

Δ =

Slide 23

Μεταβολή Εντροπίας Pb στους 1000 ΚΜεταβολή Εντροπίας Pb στους 1000 Κ

200 400 600 800 1000

15

20

25

30Entropy of Pb

Temperature, K

Entro

py, c

al /

K m

ol

25.964

14

ΔS ReftoT T( )

4.182

1 103

×273 T

Pb LeadT Cp H SK cal/(mol*K) kcal/mol cal/(mol*K)

273 6,31 -0,159 14,929373 6,574 0,484 16,936473 6,817 1,154 18,526573 7,046 1,847 19,855673 7,265 3,721 22,933773 7,186 4,443 23,934873 7,109 5,158 24,803973 7,038 5,865 25,57

1000 7,02 6,055 25,763

Μεταβολή εντροπίαςόπως προκύπτει από

πίνακες τουπρογράμματος HSC

Slide 24

Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

Re

Re

Re

Re

1 2

1 2

f

f

f

f

Tm TTT

pC m pCTm

Tm TTT

pC m pCTm

H H c dT H c dT

dT dTS S c S cT T

Τ

Τ

Δ = Δ + Δ + Δ + Δ

Δ = Δ + Δ + Δ + Δ

∫ ∫

∫ ∫

ΔGT = ΔHT – TΔST

Slide 25

Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμαΤο δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα

Σε μια αυθόρμητη διεργασία η συνολική εντροπία συστήματος καιπεριβάλλοντος αυξάνει ενώ σε μια διεργασία σε ισορροπίαπαραμένει σταθερή

Για τον υπολογισμό του ΔStotal πρέπει να γνωρίζουμε το ΔSsur και τοΔSsys

Slide 26

Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμαΤο δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα

Η μεταβολή της εντροπίας του περιβάλλοντος ΔSsur υπολογίζεταιαπό τη σχέση

Slide 27

Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμαΤο δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα

Για να είναι μια διεργασία αυθόρμητη πρέπειΔStotal = ΔSsur + ΔSsys > 0

TΔStotal = TΔSsur + TΔSsys > 0

TΔStotal = -ΔHsys + TΔSsys > 0TΔStotal = ΔHsys - TΔSsys < 0

ΔSsur = - ΔHsys / Τ

Slide 28

Ελεύθερη ενέργειαΕλεύθερη ενέργεια

Eπομένως για να είναι μια διεργασία αυθόρμητη πρέπει

TΔStotal = ΔHsys - TΔSsys < 0

Το μέγεθος TΔStotal ονομάζεταιμεταβολή της

Ελεύθερης Ενέργειας και συμβολίζεται με ΔG

Slide 29

Ελεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεωνΕλεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεων

ΔG = ΔHsys - TΔSsys

Aν ΔG < 0 τότε η χημική αντίδραση είναι αυθόρμητηπρος τα δεξιά

Aν ΔG > 0 τότε η χημική αντίδραση είναι αυθόρμητηπρος τα αριστερά

Aν ΔG = 0 τότε η χημική αντίδραση είναι σε ισορροπία

aA + bB = cC + dD

Αντιδρώντα Προϊόντα

ΔεξιάΑριστερά

Slide 30

Ελεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεωνΕλεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεων

Slide 31

Ελεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεωνΕλεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεων

Μεταλλικός σίδηρος μπορεί να παραχθεί με την αναγωγή τουαιματίτη με υδρογόνο σύμφωνα με την αντίδραση

Είναι η αναγωγή του αιματίτη αυθόρμητη χημική αντίδρασησε κανονικές συνθήκες;

ΔG = ΔH – TΔS = 98.9 kJ – 298 K x 141.5 kJ/K = 56.73 kJ > 0

Συνεπώς η αναγωγή του αιματίτη δεν είναι αυθόρμητη σεκανονικές συνθήκες δηλαδή δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί

Σε ποια θερμοκρασία μπορεί άραγε να πραγματοποιηθεί;

Slide 32

Ελεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεωνΕλεύθερη Ενέργεια και εξέλιξη χημικών αντιδράσεων

Μεταλλικός σίδηρος μπορεί να παραχθεί με την αναγωγή τουαιματίτη με υδρογόνο σύμφωνα με την αντίδραση

ΔGT = ΔHT – TΔST > 0 => T > ΔHT / ΔST

Σε ποια θερμοκρασία άραγε μπορεί να πραγματοποιηθεί ηαναγωγή του αιματίτη σε μεταλλικό σίδηρο;

Συνεπώς για να απαντήσουμε πρέπει να μπορούμε ναπροσδιορίσουμε το ΔΗΤ και το ΔST

Slide 33

Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

Re

Re

Re

Re

1 2

1 2

f

f

f

f

Tm TTT

pC m pCTm

Tm TTT

pC m pCTm

H H c dT H c dT

dT dTS S c S cT T

Τ

Τ

Δ = Δ + Δ + Δ + Δ

Δ = Δ + Δ + Δ + Δ

∫ ∫

∫ ∫

ΔGT = ΔHT – TΔST

Slide 34

Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

T deltaH deltaS deltaGK kcal cal/K kcal

273 -13,075 -68,998 5,762473 -4,897 -42,561 15,234673 1,991 -30,748 22,684873 10,875 -19,183 27,623

1073 20,644 -9,162 30,4751273 30,568 -0,665 31,4151473 39,418 5,792 30,8861673 48,659 11,652 29,1651873 64,132 20,309 26,0932073 72,604 24,607 21,5932273 80,983 28,466 16,2792473 89,273 31,962 10,2312673 97,477 35,152 3,5152873 105,6 38,083 -3,8133000 110,718 39,826 -8,761

Fe2O3 + 3H2(g) = 2 Fe + 3H2O

ΔG < 0 Συνεπώς αυτή είναι η

θερμοκρασία έναρξης τηςαντίδρασης

Slide 35

Πρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΠρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

Πρότυπη ελεύθερη ενέργεια μιας χημικής αντίδρασης ΔGο, είναι ηελεύθερη ενέργεια της χημικής αντίδρασης σε πρότυπες συνθήκεςκαι υπολογίζεται από την πρότυπη ελεύθερη ενέργεια τωναντιδρώντων και των προϊόντων από τη σχέση

Slide 36

Πρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΠρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

Slide 37

Πρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΠρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

Slide 38

Πρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασηςΠρότυπη Ελεύθερη Ενέργεια χημικής αντίδρασης

Με βάση τα δεδομένα των πινάκων υπολογίστε τη μεταβολή τηςελεύθερης ενέργειας των παρακάτω αντιδράσεων και βρείτε αν είναιαυθόρμητες ή όχι

Slide 39

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

Η πρότυπη ελεύθερη ενέργεια ΔGo μας πληροφορεί ανμια χημική αντίδραση συμβαίνει αυθόρμητα προς ταδεξιά ή προς τα αριστερά, όταν τα αντιδρώντα και ταπροϊόντα της χημικής αντίδρασης βρίσκονται σεπρότυπες συνθήκες

Slide 40

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

Σε μη πρότυπες συνθήκες η ελεύθερη ενέργεια ΔGT τηςχημικής αντίδρασης συνδέεται με την πρότυπη ελεύθερηενέργεια ΔGo

ΔGT = ΔGo + RTlnQΌπου Q είναι ο λόγος του γινομένου των συγκεντρώσεωντων προϊόντων προς τα αντιδρώντα μιάς χημικήςαντίδρασηςΣτην ισορροπία το Q είναι ίσο με τη σταθερά ισορροπίας Κ

Slide 41

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

Eάν λοιπόν η ελεύθερη ενέργεια ΔGT μιας χημικής αντίδρασης είναι :

ΔGT = ΔGo + RTlnQ < 0 τότε η αντίδραση είναι αυθόρμητη προς τα δεξιάΔGT = ΔGo + RTlnQ > 0 τότε η αντίδραση είναι αυθόρμητη προς τααριστεράΔGT = ΔGo + RTlnQ = 0 τότε η αντίδραση είναι στην ισορροπία

Slide 42

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

Αν η πρότυπη ελεύθερη ενέργεια ΔGο μιας χημικής αντίδρασης έχειπολύ υψηλή αρνητική τιμή τότε η παράσταση RTlnQ δεν θα αποκτήσειαρκετά θετικη τιμή για να την αντισταθμίσει παρά μονο αν σχηματιστείαρκετή ποσότητα προιόντωνΟμοίωςΑν η πρότυπη ελεύθερη ενέργεια ΔGο μιας χημικής αντίδρασης έχειπολύ υψηλή θετική τιμή τότε η παράσταση RTlnQ θα αποκτήσει αρκετάαρνητική τιμή για να την αντισταθμίσει όταν σχηματιστεί μια μικρήποσότητα προιόντων

Slide 43

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

Slide 44

Ας θυμηθούμε τη συνάρτηση του λογαρίθμουΑς θυμηθούμε τη συνάρτηση του λογαρίθμου

ΔGT = ΔGo + RTlnQe = 2.718ln(e) = 1

Για x<1 ln(x) < 0Για x=1 ln(x) = 0Για x>1 ln(x) > 0

0 2 4 6 8 105

3

1

1

3

55

3.912−

ln x( )

100.02 x

Slide 45

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

aA bB cC dD+ = +

Στην ισορροπία υπάρχει μια σχέση που συνδέει τιςσυγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων γνωστή καιως νόμος δράσης των μαζών

Το Κ ονομάζεται σταθερά ισορροπίας είναι ανεξάρτητο από τιςσυγκεντρώσεις και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία

[ ] [ ][ ] [ ]

c d

a b

C Dk

A B=

Slide 46

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

aA bB cC dD+ = +

ΔGo lnk kΔGo< 0 lnk > 0 k > 1 Tο μίγμα ισορροπίας αποτελείται κυρίως από προιόνταΔGo > 0 lnk < 0 k < 1 Tο μίγμα ισορροπίας αποτελείται κυρίως από αντιδρώντα

ΔGo = 0 lnk = 0 k = 0Tο μίγμα ισορροπίας έχει ανάλογες ποσότητες από αντιδρώντα και προιόντα

[ ] [ ][ ] [ ]

c d

a b

C Dk

A B=

Slide 47

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

ΔGo lnk kΔGo< 0 lnk > 0 k > 1 Tο μίγμα ισορροπίας αποτελείται κυρίως από προιόνταΔGo > 0 lnk < 0 k < 1 Tο μίγμα ισορροπίας αποτελείται κυρίως από αντιδρώντα

ΔGo = 0 lnk = 0 k = 0Tο μίγμα ισορροπίας έχει ανάλογες ποσότητες από αντιδρώντα και προιόντα

T deltaH deltaS deltaG K Log(K)K kcal cal/K kcal

273 -13,075 -68,998 5,762 2,44E-05 -4,613473 -4,897 -42,561 15,234 9,13E-08 -7,04673 1,991 -30,748 22,684 4,29E-08 -7,367873 10,875 -19,183 27,623 1,21E-07 -6,916

1073 20,644 -9,162 30,475 6,20E-07 -6,2081273 30,568 -0,665 31,415 4,04E-06 -5,3941473 39,418 5,792 30,886 2,61E-05 -4,5831673 48,659 11,652 29,165 1,55E-04 -3,811873 64,132 20,309 26,093 9,02E-04 -3,0452073 72,604 24,607 21,593 5,29E-03 -2,2772273 80,983 28,466 16,279 2,72E-02 -1,5652473 89,273 31,962 10,231 1,25E-01 -0,9042673 97,477 35,152 3,515 5,16E-01 -0,2872873 105,6 38,083 -3,813 1,95E+00 0,293000 110,718 39,826 -8,761 4,35E+00 0,638

Fe2O3 + 3H2(g) = 2 Fe + 3H2O

ΔG < 0, k > 1

Slide 48

Ελεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασηςΕλεύθερη Ενέργεια και ισορροπία χημικής αντίδρασης

Στην ισορροπία η ελεύθερη ενέργεια ΔGT μιας χημικής αντίδρασης είναιμηδέν, δηλαδή:

ΔGT = ΔGo + RTlnk = 0 ΔGo = - RTlnk

lnk= - ΔGo / RTk= exp(- ΔGo / RT)

Slide 49

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

Ισορροπία αμφίδρομων χημικών αντιδράσεων

Slide 50

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

Οι συγκεντρώσεις των προϊόντων και των αντιδρώντωναλλάζουν με το χρόνο μέχρι να φθάσουν στην ισορροπία

Slide 51

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

Οι συγκεντρώσεις των προϊόντων και των αντιδρώντωναλλάζουν με το χρόνο μέχρι να φθάσουν στην ισορροπία

Slide 52

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

Στην ισορροπία υπάρχει μια σχέση που συνδέει τιςσυγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων γνωστή καιως νόμος δράσης των μαζών

Το Κ ονομάζεται σταθερά ισορροπίας είναι ανεξάρτητο από τιςσυγκεντρώσεις και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία

Slide 53

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

Οι ποσότητες των συστατικών στο νόμο δράσης τωνμαζών μπορεί να είναι εκφρασμένες είτε σανσυγκέντρωση είτε σαν μερική πίεση αν είναι αέρια

Slide 54

Ισορροπία ετερογενών χημικών αντιδράσεωνΙσορροπία ετερογενών χημικών αντιδράσεων

Όταν σε μια χημική αντίδραση συμμετέχουν στερεά ή υγρά οισυγκεντρώσεις τους δεν μεταβάλλονται και για αυτό θεωρούνταιότι είναι ίσες με την μονάδα

CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)K = pCO2

Γιατί το CaCO3(s) και το CaO(s) είναιστερεά

Slide 55

Ισορροπία ετερογενών χημικών αντιδράσεωνΙσορροπία ετερογενών χημικών αντιδράσεων

CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)K = pCO2

Slide 56

Ισορροπία αμφίδρομων χημικών αντιδράσεωνΙσορροπία αμφίδρομων χημικών αντιδράσεων

Μπορούμε να διατυπώσουμε τις ακόλουθες γενικές παρατηρήσειςσε σχέση με τη σταθερά ισορροπίας μιας χημικής αντίδρασης

Κc > 103 τότε τα προϊόντα κυριαρχούν έναντι των αντιδρώντων10-3 < Κc < 103 τότε τα προϊόντα και αντιδρώντα υπάρχουν σεαξιόλογες ποσότητεςΚc < 10-3 τότε τα αντιδρώντα κυριαρχούν έναντι των αντιδρώντων

Slide 57

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

H σταθερά Qc χημικής αντίδρασης η οποία είναι ανάλογητης σταθερά ισορροπίας αλλά υπολογίζεταιαντικαθιστώντας τις αρχικές συγκεντρώσεις αντιδρώντωνκαι προϊόντων στη σταθερά ισορροπίας μας χρησιμεύεινα προβλέψουμε την κατεύθυνση μιας αντίδρασης

Qc > Κc τότε η αντίδραση προχωρά στο σχηματισμόαντιδρώντωνQc = Κc τότε η αντίδραση είναι σε ισορροπίαQc < Κc τότε η αντίδραση προχωρά στο σχηματισμόπροϊόντων

Slide 58

Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07Ισορροπία χημικών αντιδράσεων 07

Slide 59

Η αρχή του Le Chatelier 07Η αρχή του Le Chatelier 07

`Εάν μια εξωτερική μεταβολή επιβληθεί σε ένα σύστημαπου βρίσκεται σε ισορροπία τότε το σύστημα θα κινηθεί

στην κατεύθυνση που να εξισορροπήσει αυτή τηνμεταβολή

Slide 60

Αρχή του Le Chatelier, επίδραση συγκέντρωσηςΑρχή του Le Chatelier, επίδραση συγκέντρωσης

Μεταβολή στη συγκέντρωσηΗ αύξηση της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή προϊόντοςμε την προσθήκη του σε μια χημική αντίδραση σε ισορροπίαεξισορροπείται με την κατανάλωση τους

Η μείωση της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή προϊόντοςμε την απομάκρυνση τους από μια χημική αντίδραση σεισορροπία εξισορροπείται με την παραγωγή τους από τηχημική αντίδραση

Slide 61

Η αρχή του Le Chatelier 07Η αρχή του Le Chatelier 07

Σύνθεση ΑμμωνίαςΗ σύνθεση της αμμωνίας γίνεται με τη χημική

αντίδραση

N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) k = 0.291 700 K

Τι θα συμβεί αν αυξήσω την συγκέντρωση τουαζώτου;

Slide 62

Η αρχή του Le ChatelierΗ αρχή του Le Chatelier

N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) k = 0.291 700 K

Σταθερά Ισορροπίας k = 0,291Αρχική Συγκεντωση, Ν2 Ν2in = 0,500Αρχική Συγκεντωση, Η2 H2in = 3,000Αρχική Συγκεντωση, ΝΗ3 NH3in = 1,980

Μεταβολή Συγκεντωσης, Ν2 Ν2Co = 1,500

Κατανάλωση, Ν2 x = 0,187 guessΚατανάλωση,H2 3 x = 0,562Κατανάλωση, NH3 2 x = 0,375

Τελική Συγκεντωση, Ν2 Ν2f = Ν2in - x = 1,313Τελική Συγκεντωση, Η2 H2f = H2in - 3x = 2,438Τελική Συγκεντωση, ΝΗ3 NH3f = NH3in - 2x = 2,355

Σταθερά Ισορροπίας k = (NH3f)2 / Ν2f H2f

3= 0,291

Slide 63

Η αρχή του Le Chatelier 07Η αρχή του Le Chatelier 07

Αύξηση CN2 σε 1.5 Μ

Μείωση CΗ2 σε 1.3 Μ

Αύξηση CNΗ3 σε 2.3 Μ

Slide 64

Η αρχή του Le ChatelierΗ αρχή του Le Chatelier

Η αντίδραση αναγωγής του οξειδίου του σιδήρου στηνυψικάμινο με CO (g) περιγράφεται από την αντίδραση

Fe2O3(s) + 2 CO(g) = 2 Fe(l) + 3 CO2(g)

Τι θα συμβεί στο μίγμα ισορροπίας ανα) προσθέσω Fe2O3(s)β) Απομακρύνω CO2(g)γ) Απομακρύνω CO(g)

Slide 65

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσηςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσης

Μεταβολή στην πίεση

Η μεταβολή της πίεσης επιδρά μόνο στις αντιδράσεις στις οποίεςσυμμετέχουν αέρια και αυτό γιατί η μεταβολή της πίεσης μεταβάλλειτον όγκο τους και συνεπώς τη συγκέντρωσή τους

Αύξηση πίεσης ===> Μείωση όγκου ===> Αύξηση συγκέντρωσης

P V = n R TC = n/V = P/RT

Slide 66

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσηςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσης

Τι συνέπειες έχει η μείωση του όγκου στο μισό;

Slide 67

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσηςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσης

Τι συνέπειες έχει η μείωση του όγκου στο μισό;

( )( )( )

3

2 2

3 3

2 22 2

2

3

2 1 2 12

2

3 3

/ 2 2

2 4 116 42 2

NH

N H

NH NH

N HN H

pk

p p

V V P P

p pQ k

p pp p

=

= ⇒ =

= = =

Η αντίδραση θα κινηθείστην κατεύθυνση

αύξησης της φαινόμενηςσταθεράς ισορροπίας,

συνεπώς θα μειωθούν τααντιδρώντα και θα

αυξηθούν τα προϊόντα

Slide 68

Η αρχή του Le Chatelier 07Η αρχή του Le Chatelier 07

Ποια είναι η αναμενόμενη μεταβολή της αντίδρασης αν οόγκος μειωθεί στο 1/3 Ν2Ο4(g) = 2 NO2(g)

( )( )

2

2 4

2 2

2 42 4

2

2 1 2 12

2

/ 3 3

3 9 333

NO

N O

NO NO

N ON O

pk

p

V V P P

p pQ k

pp

=

= ⇒ =

= = =

Η αντίδραση θα κινηθείστην κατεύθυνση

μείωσης της φαινόμενηςσταθεράς ισορροπίας,

συνεπώς θα αυξηθούν τααντιδρώντα και θα

μειωθούν τα προϊόντα

Slide 69

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσηςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της πίεσης

Ποια είναι η αναμενόμενη μεταβολή των αντιδράσεων αν οόγκος του αντιδρώντος συστήματος μειωθεί στο 1/3

Slide 70

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της θερμοκρασίαςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της θερμοκρασίας

Μεταβολή στην θερμοκρασίαΗ μεταβολή της θερμοκρασίας μπορεί να μεταβάλλει τη σταθεράισοροπίας μιας χημικής αντίδρασης

Οι ενδόθερμες αντιδράσεις ευνοούνται με την αύξηση τηςθερμοκρασίας ενώ οι εξώθερμες αντιδράσεις ευνοούνται με τηνμείωση της θερμοκρασίας

Slide 71

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της θερμοκρασίαςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της θερμοκρασίας

Παράδειγμα η αντίδραση

N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) ΔH = - 92.2 kJ / mol N2

Μείωση του k μετην αύξηση τηςθερμοκρασίας

Η αντίδρασηείναι εξώθερμη

Slide 72

Η αντίδραση Α(g) + Β(g) = ΑΒ(g)Είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη

Η αρχή του Le Chatelier, επίδραση της θερμοκρασίαςΗ αρχή του Le Chatelier, επίδραση της θερμοκρασίας

Slide 73

Τι είναι εντροπία και πως υπολογίζεταιΤι είναι ελεύθερη ενέργεια και πως υπολογίζεταιΠοια είναι η επίδραση της μεταβολής τηςσυγκέντρωσης ενός συστατικού, της πίεσης τουσυστήματος, του όγκου και της θερμοκρασίαςστην πορεία μιας χημικής αντίδρασης

Σύνοψη του ΜαθήματοςΣύνοψη του Μαθήματος