الديناميكا الحرارية الكيميائية
تطبق الديناميكا الحرارية الكيميائية القوانين الكونية للطاقة والإنتروبيا على التغير الكيميائي، متنبئةً بما إذا كانت التفاعلات ستحدث، وإلى أي مدى ستصل، وكيف تستجيب الأطوار والتركيب لدرجة الحرارة والضغط والتركيز.
Definition
الديناميكا الحرارية الكيميائية هي فرع الكيمياء الفيزيائية الذي يستخدم دوال الحالة مثل الإنثالبي والإنتروبيا والطاقة الحرة لتحديد تلقائية التفاعلات الكيميائية والتحولات الطورية وموضع اتزانها وطاقتها.
Scope
يغطي هذا المجال الوصف الديناميكي الحراري للأنظمة الكيميائية: الطاقة الداخلية، والإنثالبي، والإنتروبيا، وطاقتا غيبس وهيلمهولتز الحرتان؛ والجهد الكيميائي كمتغير دافع لتدفق المادة والتفاعل؛ وشروط التوازن الكيميائي والطور؛ وقاعدة أطوار غيبس؛ وقياس الحرارة من خلال الكيمياء الحرارية والمسعرية. يتم تناول الأصل الميكانيكي الإحصائي لهذه الكميات العيانية بشكل منفصل تحت الديناميكا الحرارية الإحصائية، وتُغطى القوانين نفسها في شكلها الفيزيائي العام في الفيزياء؛ وهنا ينصب التركيز على استخدامها للتنبؤ باتجاه ومدى العمليات الكيميائية.
Sub-topics
Core questions
- ما الذي يحدد ما إذا كان التفاعل الكيميائي تلقائيًا في ظل ظروف معينة؟
- كيف يرتبط ثابت الاتزان لتفاعل ما بتغير طاقة غيبس الحرة القياسية؟
- كيف يحكم الجهد الكيميائي تدفق المادة بين الأطوار وموضع الاتزان؟
- كم عدد الأطوار والمكونات التي يمكن أن تتواجد معًا، وكيف تقيدها قاعدة الأطوار؟
Key concepts
- الإنثالبي، الإنتروبيا، وطاقة غيبس الحرة
- الجهد الكيميائي والنشاط
- ثابت الاتزان وحاصل التفاعل
- الحالات القياسية والظروف المرجعية
- قاعدة الأطوار ودرجات الحرية
Key theories
- معيار طاقة غيبس الحرة للتلقائية
- عند درجة حرارة وضغط ثابتين، تكون العملية تلقائية عندما تنخفض طاقة غيبس الحرة؛ ويتوافق الاتزان مع قيمة دنيا لـ G، ويربط تغير الطاقة الحرة القياسية بثابت الاتزان من خلال dG = -RT ln K.
- الجهد الكيميائي وشروط الاتزان
- يحمل كل نوع جهدًا كيميائيًا يعتمد على درجة الحرارة والضغط والتركيب؛ وتتدفق المادة من المناطق ذات الجهد الكيميائي الأعلى إلى المناطق ذات الجهد الكيميائي الأقل، ويتم الوصول إلى الاتزان عندما يتساوى الجهد الكيميائي لكل مكون عبر جميع الأطوار.
Clinical relevance
تدعم الديناميكا الحرارية الكيميائية هندسة التفاعلات، وعمليات الفصل، وتصميم المواد والمعادن، وطاقة البطاريات وخلايا الوقود، والطاقة الحيوية لعمليات الأيض، وتوفر المعايير التي تحدد أي التحولات ممكنة وأين يقع الاتزان.
History
تأسست الديناميكا الحرارية الكيميائية في سبعينيات القرن التاسع عشر على يد ج. ويلارد غيبس، الذي قدم معالجته للتوازنات غير المتجانسة الجهد الكيميائي وقاعدة الأطوار؛ وقد تم توسيع الإطار من قبل فانت هوف، ونيرنست، ولويس، الذين قاموا بتنظيم الطاقة الحرة، والنشاط، والحالات القياسية، ومن قبل أونساغر، الذي عممها على العمليات غير العكوسة.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Hermann von Helmholtz
- Walther Nernst
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
- onsager1931
Frequently asked questions
- هل يعني انخفاض طاقة غيبس الحرة أن التفاعل سيحدث بسرعة؟
- لا. تخبرك الديناميكا الحرارية ما إذا كان التفاعل مفضلاً وأين يقع الاتزان، ولكنها لا تخبرك بمدى سرعة حدوثه؛ فالمعدل يحكمه حركية التفاعل الكيميائي وقد يكون بطيئًا للغاية حتى بالنسبة لتفاعل تلقائي بقوة.
- ما الفرق بين تغيرات الطاقة الحرة القياسية والفعلية؟
- يشير تغير الطاقة الحرة القياسية إلى جميع الأنواع في حالاتها القياسية المرجعية، بينما يأخذ التغير الفعلي في الاعتبار التركيزات أو الضغوط الحقيقية من خلال حاصل التفاعل؛ وتحدد القيمة الفعلية، وليس القياسية، اتجاه التفاعل في أي لحظة.