Lektion
Die Theorie — Gibbs-Energie & Spontanität
Die Änderung der Gibbs-Energie einer Reaktion, ΔG = ΔH − TΔS, ist die maximale Arbeit, die sie bei konstanter Temperatur und konstantem Druck leisten kann, abgesehen vom Zurückdrängen der Atmosphäre. Eine Reaktion mit ΔG < 0 kann von selbst ablaufen; eine mit ΔG > 0 verläuft in die andere Richtung; bei ΔG = 0 halten sich beide Richtungen die Waage. Der Standardwert legt die Gleichgewichtskonstante fest: ΔG° = −RT ln K. Wenn ΔH und ΔS dasselbe Vorzeichen haben, wechselt ΔG das Vorzeichen bei T = ΔH/ΔS.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
ΔG- die Änderung der Gibbs-Energie, in kJ pro Mol der Reaktion wie geschrieben. Negativ: Die Produkte sind begünstigt
ΔS- die Entropieänderung, in J/(mol·K). Ihr Vorzeichen ist die Steigung von ΔG gegen T, mit umgekehrtem Vorzeichen
T- die absolute Temperatur, in Kelvin. Jede Formel auf dieser Seite verwendet sie; das Celsius-Feld dient der Bequemlichkeit
K- die Gleichgewichtskonstante, dimensionslos: Drücke in bar und Konzentrationen in mol/L, jeweils durch ihren Standardwert geteilt
- Setzt voraus
- ΔH und ΔS behalten bei jeder Temperatur ihre Werte für 25 °C. Dies ist die Ellingham-Näherung, und sie macht das erste Diagramm zu einer Geraden. Alle Spezies befinden sich in ihren Standardzuständen, 1 bar für Gase. Daher ist ΔG hier ΔG° und K der dazugehörige Wert; ein echtes Gemisch hat einen Reaktionsquotienten Q, und die Reaktion strebt von Q ausgehend auf K zu. Die Eis-Voreinstellung ist anders aufgebaut: Ihr ΔS ist ΔH geteilt durch den Schmelzpunkt, so wie man eine Schmelzentropie misst. Daher liegt ihr Umschlagpunkt konstruktionsbedingt bei 0 °C.
- Versagt, wenn
- Bei hohen Temperaturen, um einen Betrag, den die durchgerechnete Aufgabe misst: Für Kalkstein liegt der Schnittpunkt mit konstanten Werten 45 Grad zu niedrig. Und ΔG sagt nichts über die Geschwindigkeit aus. Diamant, der sich in Graphit verwandelt, hat bei Raumtemperatur ein ΔG ≈ −2,9 kJ/mol, und Diamanten halten Milliarden von Jahren, weil kein Reaktionsweg bei dieser Temperatur schnell genug ist, um ihn zu bemerken. Das Haber-Bosch-Verfahren läuft bei 450 °C gegen sein eigenes Gleichgewicht, aus demselben Grund, nur umgekehrt.
Aufgabe vollständig gelöst
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Wo Kalkstein wirklich umschlägt, aus den Hochtemperaturtabellen 4 Schritte
Aus den Werten für 25 °C setzt die Seite den Umschlagpunkt für Kalkstein bei 843,1 °C an, und ein echter Ofen braucht etwa 898 °C. Robie und Hemingway (USGS, 1995) tabellieren jeden Stoff auch bei hohen Temperaturen. Bei 1100 K beträgt (H − H₂₉₈)/T 81,61 J/(mol·K) für CaCO₃, 36,97 für CaO und 35,35 für CO₂, und S° ist 232,23, 102,88 und 274,51. Bei 1200 K lauten die sechs Zahlen 85,57, 38,38, 37,06 und 243,46, 107,58, 279,37. Finde heraus, wo ΔG wirklich die Null kreuzt.
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Zuerst der Wärmeinhalt. Die Produkte gewinnen 36,97 + 35,35 J/(mol·K) und das Carbonat 81,61, also sinkt die Enthalpie der Reaktion um 9,29 × 1100 J, etwa 10,2 kJ unter ihren Wert bei 25 °C.
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Die Reaktionsentropie bei 1100 K ergibt sich direkt aus den drei S°-Werten, und sie ist 15 J/(mol·K) kleiner als bei 25 °C.
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Bei 1100 K weigert sich die Reaktion also immer noch, und zwar um 8,905 kJ/mol. Wiederholt man beide Schritte bei 1200 K, erhält man ΔG = −5,544 kJ/mol: Sie läuft ab.
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ΔG verläuft über hundert Kelvin fast geradlinig, also liegt der Schnittpunkt bei 8,905/(8,905 + 5,544) des Weges von 1100 K nach 1200 K.
Antwort
Etwa 1161,6 K oder 888,5 °C. Von den 55 Grad zwischen den 843,1 °C der Seite und einem funktionierenden Ofen stammen 45,4 aus der Näherung mit konstanten Werten für ΔH und ΔS: Beide sinken, wenn sich der Feststoff erhitzt, und ΔS sinkt ein wenig schneller. Die letzten 9,5 Grad sind ungefähr das, was die eigene Unsicherheit von ±1,3 kJ/mol für Calcit in ΔfH° zulässt. Die Tabellen und die 898 °C von Smyth und Adams stimmen also so gut überein, wie es die Daten hergeben. Die Gerade der Seite ist das richtige Werkzeug, um zu fragen, in welche Richtung eine Reaktion läuft, und ein grobes, um nach der exakten Temperatur zu fragen.
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Lernpfad
Warum eine Reaktion abläuft
Quellen (3)
- Every limestone figure on the page, and the high-temperature rows the worked problem uses: calcite, lime and carbon dioxide from one compilation, so that the crossover is not moved by mixing tables: R. A. Robie and B. S. Hemingway, Thermodynamic Properties of Minerals and Related Substances at 298.15 K and 1 Bar (10^5 Pascals) Pressure and at Higher Temperatures. U.S. Geological Survey Bulletin 2131, 1995. DOI 10.3133/b2131
- The 898 °C at which calcite's CO2 pressure reaches one atmosphere, which insight block 1 and the worked problem measure the page against: F. H. Smyth and L. H. Adams, "The System, Calcium Oxide-Carbon Dioxide." Journal of the American Chemical Society 45(5), 1923, pp. 1167-1184. DOI 10.1021/ja01658a009
- Ammonia, nitrogen, hydrogen and oxygen are CODATA key values and ozone is NIST-JANAF, each read from its WebBook page (this is ammonia's): P. J. Linstrom and W. G. Mallard (eds.), NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD. Ammonia, gas-phase thermochemistry.