Химический потенциал и равновесие

Химический потенциал измеряет изменение свободной энергии системы при добавлении вещества, а приравнивание химических потенциалов реагентов и продуктов определяет положение химического равновесия.

Definition

Химический потенциал — это парциальная молярная свободная энергия Гиббса вещества, а химическое равновесие — это состояние, в котором общая энергия Гиббса минимизирована, так что взвешенные химические потенциалы реагентов и продуктов равны.

Scope

Эта тема охватывает химический потенциал как парциальную молярную энергию Гиббса, его зависимость от температуры, давления и состава через активность и фугитивность, а также его роль в качестве движущей силы реакции и фазового перехода. Она развивает условие равновесия для реакции, связь между стандартной энергией Гиббса реакции и константой равновесия, а также отклик равновесия на изменения условий через принцип Ле Шателье и уравнение Вант-Гоффа. Калориметрическое измерение лежащей в основе энергетики рассматривается в отдельной теме.

Core questions

• Как химический потенциал вещества зависит от его активности или парциального давления?
• Почему равновесие достигается, когда энергия Гиббса реакции, а не стандартная энергия Гиббса, равна нулю?
• Как константа равновесия зависит от температуры через уравнение Вант-Гоффа?
• Как принцип Ле Шателье предсказывает отклик равновесия на возмущения?

Key concepts

• Химический потенциал и парциальные молярные величины
• Активность, фугитивность и стандартные состояния
• Константа равновесия и реакционный коэффициент
• Уравнение Вант-Гоффа и температурная зависимость
• Принцип Ле Шателье

Key theories

Константа равновесия из энергии Гиббса реакции

Энергия Гиббса реакции представляет собой наклон общей энергии Гиббса вдоль координаты реакции; приравнивание ее к нулю дает условие равновесия и связь между стандартной энергией Гиббса реакции и константой равновесия.

Температурная зависимость через уравнение Вант-Гоффа

Изменение константы равновесия с температурой регулируется стандартной энтальпией реакции, поэтому экзотермические равновесия смещаются в сторону продуктов при охлаждении, а эндотермические — при нагревании.

Clinical relevance

Химический потенциал и равновесие контролируют выход промышленных синтезов, таких как процесс Габера-Боша, растворимость и распределение лекарств и загрязнителей, кислотно-основные и комплексообразовательные балансы в растворе, а также энергетику сопряженных реакций в метаболизме.

History

Гиббс ввел химический потенциал в 1870-х годах; Вант-Гофф связал константу равновесия с термодинамикой через свою изохору в 1880-х годах, а Льюис позже ввел активность и фугитивность, чтобы строго распространить рассмотрение на реальные, неидеальные растворы и газы.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Почему в выражениях для равновесия используется активность вместо концентрации?

В неидеальных растворах и газах молекулы взаимодействуют таким образом, что эффективная доступность отличается от номинальной концентрации или давления; активность — это термодинамически скорректированная величина, которая восстанавливает простую форму константы равновесия для реальных систем.

Изменяет ли катализатор положение равновесия?

Нет. Катализатор ускоряет достижение равновесия, одинаково снижая активационный барьер в обоих направлениях, но он не изменяет константу равновесия и конечный равновесный состав, поскольку они определяются термодинамикой, а не кинетикой.