Spontaneitás, entrópia

Átírás

1 Spontaneitás, entrópia 6-1 Spontán folyamat 6-2 Entrópia 6-3 Az entrópia kiszámítása 6-4 Spontán folyamat: a termodinamika második főtétele 6-5 Standard szabadentalpia változás, ΔG 6-6 Szabadentalpia változás és egyensúly 6-7 ΔG és K eq hőmérséklet függése 6-8 Csatolt reakciók Fókusz Biológiai rendszerek Egyensúly Slide 1 of 39

2 Spontán folyamat Olyan folyamat amely a magára hagyott rendszerben önként lejátszódik. Ha egyszer elindult nincs szükség külső beavatkozásra addig folyik amíg az egyensúly be nem áll. 4 Fe(s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) H 2 O(s) H 2 O(l) Nem spontán folyamat: csak folyamatos külső behatás miatt játszódik le. 2 Fe 2 O 3 (s) 4 Fe(s) + 3 O 2 (g) Egyensúly Slide 2 of 39

3 Spontán folyamat A potenciális energia csökken. Kémia: belső energia U. Thomsen (1854) Berthelot (1864) elv Spontán folyamatokban az entalpia csökken. Sok esetben igaz, de nagyon sok kivétel van. Egyensúly Slide 3 of 39

4 6-2 Az entrópia Entrópia, S. A rendezetlenség mértéke. ΔS > 0 spontán Egyensúly Slide 4 of 39

5 Entrópia változás ΔS = q rev T Egyensúly Slide 5 of 39

6 6-3 Az entrópia kiszámítása Fázis átalakulás. A hőcsere reverzibilis lehet. ΔS = ΔH T tr H 2 O(s, 1 atm) H 2 O(l, 1 atm) ΔH olv = 6.02 kj, K ΔS olv = ΔH olv T tr = 6.02 kj mol-1 = 22 J mol K -1 K -1 Egyensúly Slide 6 of 39

7 Trouton szabály Sok anyag esetében a moláris forrási entrópia változás azonos (pl. toluol, 87.3, benzol, 89.5, kloroform, 87.9, ): ΔS forr = ΔH forr T forr J mol-1 K -1 A forráspont ismeretében a forrási entalpia megbecsülhető Kivételek: hidrogén kötéses folyadékok (víz, etanol, hangyasav) mert a folyadék entrópiája kisebb. A moláris entrópia dimenziója: energia/(anyagmennyiség hőmérséklet) Egyensúly Slide 7 of 39

8 Abszolút Entrópia A termodinamika harmadik főtétele. Kristályos tiszta anyagok entrópiája T = 0 K-en 0. Standard moláris entrópia. Táblázatokban foglalják össze. Reakciók entrópia változása: ΔS = [ p S (products) - r S (reactants)] Extenzív, állapotfüggvény, a több lépéses reakciókban összegezhető Egyensúly Slide 8 of 39

9 Az entrópia hőmérsékletfüggése Egyensúly Slide 9 of 39

10 Vibrációs energia és entrópia Egyensúly Slide 10 of 39

11 6-4 Spontán folyamat: a termodinamika második főtétele ΔS total = ΔS universe = ΔS system + ΔS surroundings A termodinamika második főtétele (Clausius): Makroszkópikus (m > 2pg), nem egyensúlyi izolált rendszer entrópiája önként végbemenő folyamatok során nő és egyensúlyban maximális. ΔS universe = ΔS system + ΔS surroundings > 0 Minden spontán folyamat növeli az az univerzum entrópiáját. Egyensúly Slide 11 of 39

12 A jég megolvadásának példája δq hő áramlik a melegebb környezet felől, T(surr) = 298 K, a jég felé és megolvasztja azt a jég állandó, T(system) = 273 K, olvadási hőmérsékletén. A rendszer (system) entrópiája kis lépésekben változik: δs 1 = δq/273 [J/K]. A teljes hő ami ahhoz szükséges hogy a jég teljes egészében megolvadjon az olvadáshő, állandó nyomáson: ΔH, 273 K-en. A jég teljes entrópia változása:ds 1 = ΔH/273 [J/K]. Egyensúly Slide 12 of 39

13 A jég megolvadásának példája 2 A környezet entrópiája kis lépésekben változik: δs 2 = -δq/298 [J/K]. A környezet teljes entrópia változása: DS 2 = -DH/298 [J/K]. DS 1 + DS 2 = DH/273 - DH/298 > 0; A vízzé olvadt jég rendszer (system) entrópia növekedése nagyobb mint a környezet entrópia csökkenése: Mert T 1 (system) = 273 K < T 2 (surr.) = 298 K és DH>0. Egyensúly Slide 13 of 39

14 A jég megolvadása T 1 (system) = 273 K < T 2 (surr.) = 298 K és DH>0. Egyensúly Slide 14 of 39

15 Szabadentalpia és szabadentalpia változás Az univerzum (p és T = const.), reverzibilis hőátadás: ΔS univ. = ΔS sys. + ΔS surroundings = ΔS sys. ΔH sys. /T surr. TΔS univ. = TΔS sys. ΔH sys. = (ΔH sys. TΔS sys. ) -TΔS univ. = ΔH sys TΔS sys A rendszer szabadentalpiája G (p és T = const.): G H - TS ΔG sys = ΔH sys - TΔS sys ΔG sys = - TΔS univ. Egyensúly Slide 15 of 39

16 A spontán változás kritériuma ΔG sys < 0 (negatív), a folyamat spontán lejátszódik. ΔG sys = 0 (zero), a folyamat egyensúlyban van. ΔG sys > 0 (pozitív), a folyamat nem játszódik le spontán. Egyensúly Slide 16 of 39

17 6-5 Standard szabadentalpia változás, ΔG standard képződési szabadentalpia, ΔG f. Annak a reakciónak a szabadentalpia változása amelyben anyag standard állapotában keletkezik elemeiből (referencia alak, standard állapot). Standard reakció szabadentalpia, ΔG. ΔG = [ p ΔG f (termékek) - r ΔG f (reagensek)] A szabadentalpia megváltozása egy adott folyamatban megadja a maximális hasznos munka mennyiségét állandó nyomáson és hőmérsékleten. Egyensúly Slide 17 of 39

18 Termodinamikai táblázat P = 1 atm, T =298 K DH 0 f DG 0 f S 0 kj mol -1 kj mol -1 J mol -1 K -1 H 2 O(l) H 2 O(g) H 2 O(l) H 2 O(g) Az entalpia változás pozitív, a párolgás endoterm. DG 0 pozitív, a reakció nem spontán atmoszférikus nyomáson. DG 0 = 0 ha p = mmhg. Az entrópia változás pozitív Egyensúly Slide 18 of 39

19 Szabadentalpia változás és egyensúly Egyensúly Slide 19 of 39

20 6-6 A szabadentalpia hőmérsékletfüggése Egyensúly Slide 20 of 39

21 A szabadentalpia hőmérsékletfüggése Tegyük fel, hogy a víz párolgási entalpiájának és entrópiájának hőmérséklet függése elhanyagolható 298 és 400 K között. Ekkor a párolgási entalpia és az entrópia változásból megjósolható a forráspont (DG 0 = 0) T forr = DH/DS = 44000/118.9 = 370 K ( 373 K) Efelett a hőmérséklet felett a szabadentalpia változás negatív, a víz elforr. Egyensúly Slide 21 of 39

22 A víz párolgása, P = 1 atm DG H2O(l) -> H2O(g) DG Keq Positive Equilibrium, DG = 0 H2O(l) Negative H2O(g) K Egyensúly Slide 22 of 39

23 Spontán reakciók DG(T) = DH TDS DH DS DG(T) Példa T T H 2 O(l) H 2 O(g) Magas T segít H 2 O(g) H 2 O(l) Alacsony T segít 4Fe(s) +3O 2 (g) 2Fe 2 O 3 (s) mindig Professor Gabor I. Csonka 2Fe 2 O 3 (s) 4Fe(s) +3O 2 (g) soha 23 Slide 23 of 39

24 ΔG viszonya ΔG -hez nem standard körülmények N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) ΔG = ΔH - TΔS ΔG = ΔH - TΔS Ideális gázok: ΔH = ΔH ΔG = ΔH - TΔS Egyensúly Slide 24 of 39

25 Ideális gáz izoterm reverzibilis munkája V f w p ( V ) dv V i ex w V V f i n R V T dv n R T ln V V f i DU 0 q rev w n R T ln V V f i Egyensúly Slide 25 of 39

26 S és S (n=1 mol, ideális gáz, izoterm) q rev = -w = RT ln V f V i ΔS = q rev T = R ln V f V i ΔS = S f S i = R ln V f V i = R ln P i P f = -R ln P f P i S = S - R ln P P = S - R ln = S - R ln P P 1 Ez az entrópia nyomásfüggése, S a standard entrópia Egyensúly Slide 26 of 39

27 N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) S N 2 = S N 2 Rln P N2 S = H 2 S Rln P H 2 H2 S NH 3 = S NH 3 Rln P NH3 ΔS rxn = 2 (S NH 3 R ln P NH3 ) (S N2 R ln P N2 ) 3 (S H2 R ln P H2 ) ΔS rxn = 2 S S NH 3 N2 3S H2 +R ln P N2 P 3 H2 2 P NH 3 ΔS rxn = ΔS rxn + R ln P N2 P 3 H2 2 P NH 3 Egyensúly Slide 27 of 39

28 ΔG nem standard körülmények között ΔG = ΔH - TΔS ΔS rxn = ΔS rxn + Rln P N2 P 3 H2 2 P NH 3 ΔG = ΔH - TΔS rxn TR ln P N2 P 3 H2 2 P NH 3 ΔG = ΔG + RT ln 2 P NH 3 P P 3 N 2 H2 ΔG = ΔG + RT ln Q Q a reakció együttható Egyensúly Slide 28 of 39

29 ΔG és az egyensúlyi állandó K eq Egyensúlyban: ΔG = ΔG + RT ln Q ΔG = ΔG + RT ln K eq = 0 ΔG = -RT ln K eq Egyensúly Slide 29 of 39

30 A spontán változás kritériuma Minden kémiai reakció megfordítható. A spontán változás olyan irányú, hogy a szabadentalpia csökkenjen. Egyensúly Slide 30 of 39

31 A ΔG 0 nagyságának jelentősége (298 K) DG 0 K értéke Következmény Egyensúly Slide 31 of 39

32 A termodinamikai egyensúlyi állandó: aktivitások Ideális gázok entrópiája: S = S - R ln P P = S - R ln P 1 PV=nRT or P=(n/V)RT, a nyomás koncentráció effektív koncentráció Oldatban: S = S - R ln c c = S - R ln a Az effektív koncentráció standard állapotban ideális oldatban c = 1 M. Egyensúly Slide 32 of 39

33 Aktivitások Tiszta szilárd anyagok és folyadékok:» a = 1 Ideális gázok:» a = P Ideális oldott anyag vízben:» a = c (mol l -1 ) Egyensúly Slide 33 of 39

34 A termodinamikai egyensúlyi állandó, K eq Dimenzió mentes egyensúlyi álladó aktivitásokkal kifejezve. Gyakran K eq = K c Ez határozza meg ΔG-t. ΔG = ΔG + RT ln a ga h a a a b Egyensúly Slide 34 of 39

35 6-7 ΔG és K eq hőmérsékletfüggése ΔG = ΔH -TΔS ΔG = -RT ln K eq ln K eq = -ΔG RT = -ΔH RT + TΔS RT ln K eq = -ΔH RT + ΔS R K eq2 ln = K eq1 -ΔH RT 2 + ΔS R -ΔH ΔS - + = -ΔH RT 1 R R 1 T 2-1 T 1 Egyensúly Slide 35 of 39

36 K eq hőmérsékletfüggése Van t Hoff első kémiai Nobel díj, 1901 ln K eq = -ΔH RT + ΔS R mere = -ΔH R -ΔH = R mere = J mol -1 K K = kj mol -1 Egyensúly Slide 36 of 39

37 6-8 Csatolt reakciók Nem spontán reakciók folyamatos külső behatásra lejátszódnak (pl. elektrolízis) Más megoldás, két reakció csatolása. Egyik pozitív ΔG a másik negatív ΔG. A teljes reakció spontán lehet. Egyensúly Slide 37 of 39

38 Rézoxid redukciója Δ Cu 2 O(s) 2 Cu(s) + ½ O 2 (g) ΔG 673K = +125 kj Nem spontán reakció: Cu 2 O(s) 2 Cu(s) + ½ O 2 (g) +125 kj Spontán reakció : C(s) + ½ O 2 (g) CO(g) -175 kj Cu 2 O(s) + C(s) 2 Cu(s) + CO(g) Spontán reakció! -50 kj Egyensúly Slide 38 of 39

39 Fókusz: csatolt biológiai reakciók ADP 3- + HPO H + ATP 4- + H 2 O ΔG = -9.2 kj mol -1 ΔG = ΔG + RT ln a ATPa H 2O a ADP a P i a H3O + De [H 3 O + ] = 10-7 M nem 1.0 M. ΔG = -9.2 kj mol kj mol -1 A biológiai nem standard állapot: = kj mol -1 = ΔG Egyensúly Slide 39 of 39

40 Fókusz: csatolt biológiai reakciók Glucose 2 lactate + 2 H kj 2 ADP HPO H + 2 ATP H 2 O +64 kj 2 ADP HPO glucose 2 ATP H 2 O + 2 lactate -153 kj Egyensúly Slide 40 of 39