Thế hóa học và Cân bằng hóa học

Thế hóa học đo lường sự thay đổi năng lượng tự do của một hệ khi thêm vật chất vào, và việc cân bằng thế hóa học của các chất phản ứng và sản phẩm xác định vị trí cân bằng hóa học.

Definition

Thế hóa học là năng lượng tự do Gibbs riêng phần mol của một loài, và cân bằng hóa học là trạng thái trong đó tổng năng lượng Gibbs được tối thiểu hóa sao cho thế hóa học có trọng số của các chất phản ứng và sản phẩm bằng nhau.

Scope

Chủ đề này bao gồm thế hóa học như là năng lượng Gibbs riêng phần mol, sự phụ thuộc của nó vào nhiệt độ, áp suất và thành phần thông qua hoạt độ và độ bay hơi, và vai trò của nó như là động lực cho phản ứng và chuyển pha. Nó phát triển điều kiện cân bằng cho một phản ứng, mối quan hệ giữa năng lượng Gibbs phản ứng tiêu chuẩn và hằng số cân bằng, và sự phản ứng của cân bằng với những thay đổi trong điều kiện thông qua nguyên lý Le Chatelier và phương trình van't Hoff. Việc đo nhiệt lượng của năng lượng cơ bản được đề cập trong một chủ đề riêng.

Core questions

• Thế hóa học của một loài phụ thuộc vào hoạt độ hoặc áp suất riêng phần của nó như thế nào?
• Tại sao cân bằng đạt được khi năng lượng Gibbs phản ứng, chứ không phải năng lượng Gibbs tiêu chuẩn, bằng 0?
• Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào thông qua phương trình van't Hoff?
• Nguyên lý Le Chatelier dự đoán sự phản ứng của cân bằng với các nhiễu loạn như thế nào?

Key concepts

• Thế hóa học và các đại lượng mol riêng phần
• Hoạt độ, độ bay hơi và trạng thái tiêu chuẩn
• Hằng số cân bằng và thương số phản ứng
• Phương trình van't Hoff và sự phụ thuộc vào nhiệt độ
• Nguyên lý Le Chatelier

Key theories

Hằng số cân bằng từ năng lượng Gibbs phản ứng

Năng lượng Gibbs phản ứng là độ dốc của tổng năng lượng Gibbs dọc theo tọa độ phản ứng; đặt nó bằng 0 cho điều kiện cân bằng và mối quan hệ giữa năng lượng Gibbs phản ứng tiêu chuẩn và hằng số cân bằng.

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ thông qua phương trình van't Hoff

Sự biến thiên của hằng số cân bằng theo nhiệt độ được điều chỉnh bởi enthalpy phản ứng tiêu chuẩn, do đó cân bằng tỏa nhiệt dịch chuyển về phía sản phẩm khi làm lạnh và cân bằng thu nhiệt khi làm nóng.

Clinical relevance

Thế hóa học và cân bằng kiểm soát năng suất của các tổng hợp công nghiệp như quá trình Haber-Bosch, độ hòa tan và phân chia của thuốc và chất ô nhiễm, cân bằng axit-bazơ và tạo phức trong dung dịch, và năng lượng của các phản ứng ghép nối trong quá trình trao đổi chất.

History

Gibbs đã giới thiệu thế hóa học vào những năm 1870; van't Hoff đã kết nối hằng số cân bằng với nhiệt động lực học thông qua đường đẳng tích của ông vào những năm 1880, và Lewis sau đó đã giới thiệu hoạt độ và độ bay hơi để mở rộng cách xử lý một cách chặt chẽ cho các dung dịch và khí thực, không lý tưởng.

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Tại sao hoạt độ được sử dụng thay vì nồng độ trong các biểu thức cân bằng?

Trong các dung dịch và khí không lý tưởng, các phân tử tương tác sao cho khả năng có sẵn hiệu quả khác với nồng độ hoặc áp suất danh nghĩa; hoạt độ là đại lượng được điều chỉnh nhiệt động lực học để khôi phục dạng đơn giản của hằng số cân bằng cho các hệ thực.

Chất xúc tác có làm thay đổi vị trí cân bằng không?

Không. Chất xúc tác làm tăng tốc độ đạt đến cân bằng bằng cách giảm hàng rào năng lượng hoạt hóa theo cả hai hướng như nhau, nhưng nó không làm thay đổi hằng số cân bằng và thành phần cân bằng cuối cùng vì những điều này được thiết lập bởi nhiệt động lực học, không phải động học.