Entropia chimiei anorganice
entropie
Entropia (greacă en = in; trop = transformare) este una dintre variabilele de stare extinse din termodinamică și are unitatea SI Joule/Kelvin (J/K). A fost introdus de RUDOLF CLAUSIUS în 1884, când a încercat să descrie procesele din mașinile de căldură și energie. LUDWIG BOLZMANN a prezentat ulterior relația cu ordinea în sistem, conform căreia entropia trebuie privită ca o „măsură a dezordinii”. De exemplu, unui echilibru termodinamic i se poate atribui o valoare de entropie specifică fiecărei stări de echilibru.
În fizica statică, entropia descrie cât volum de spațiu de fază poate fi atins într-un sistem. Măsoară ordinea unui sistem fizic dintr-un număr mare de obiecte individuale. Prin urmare, este o măsură a „ignoranței stării tuturor particulelor individuale”.
Alimentarea/eliminarea căldurii ⇒ schimbarea entropiei
Când se absoarbe căldura (dar și topirea și fierberea), entropia găsită în sistem crește, în timp ce atunci când eliberează căldură, entropia scade. În plus, creșterea entropiei poate fi cauzată și de amestecare, conducere de căldură sau o reacție chimică. Cu toate acestea, entropia apare și atunci când energia mecanică este convertită în energie termică (de exemplu, prin frecare).
Dacă se adaugă căldură Q la un sistem cu temperatura T, urmează creșterea entropiei:
Acesta este motivul pentru care procesele endotermice sunt adesea efectuate numai la temperaturi ridicate, deoarece există o creștere mai mică a entropiei atunci când o anumită căldură Q este furnizată la temperatură ridicată decât la temperatură scăzută.
Diagrama 1 (sistem de coordonate)
Comportamentul entropiei în procesele spontane
În general, următoarele se aplică schimbării entropiei în toate procesele fizice și chimice: ΔS = SB - SA
Schimbarea totală rezultă apoi din schimbările în schimbările de entropie ale mediului sau ale sistemului
ΔS total = ΔS mediu + ΔS sistem
În cazul proceselor spontane, există întotdeauna o scădere a ordinii generale în sistem și în mediu. Prin urmare, o creștere clară a entropiei totale urmează ca o caracteristică a unui proces spontan. Schimbarea generală rămâne aceeași numai dacă sistemul și mediul său rămân în aceeași stare.
Sistemul închis este o specialitate: într-un sistem în care nu există schimb de materie sau căldură cu mediul, entropia nu poate scădea. Prin urmare, entropia totală a unui sistem și a mediului său nu poate scădea ⇒ A doua lege a termodinamicii.
Din acest motiv, procesele de formare a entropiei sunt numite ireversibile (ireversibile), deoarece, de exemplu, un al doilea sistem care absoarbe energia nou creată este necesar pentru a inversa astfel de procese. Prin urmare, entropia nu poate crește decât să scadă în timp.
- Direcția și lungimea săgeților indică semnul și valoarea modificării entropiei.
- Diferența dintre săgeți arată că entropia totală își asumă întotdeauna o valoare mai mare pentru procesele spontane.
1 ⇒ un proces exoterm în care entropia mediului crește datorită eliberării de căldură
2 ⇒ și un proces exoterm, în care, totuși, entropia sistemului scade și, prin urmare, nu este spontană (aici procesul trebuie forțat de un sistem cuplat a cărui entropie crește)
2 ⇒ un proces endotermic, care, totuși, are loc din nou spontan, motiv pentru care entropia din sistem crește considerabil când se adaugă căldură
Cu toate acestea, există și situații în care entropia nu poate fi redusă prin eliberarea căldurii din sistem. Acesta este cazul când entropia unui sistem este zero. Din acest motiv, entropia la zero absolut, adică T = 0K, este zero pentru substanțele pure cristalizate în mod ideal.
Acest fenomen se mai numește A treia lege a termodinamicii desemnat.
Entropia în reacțiile chimice
Fiecărei substanțe i se poate atribui o entropie molară standard Sm0. Acest lucru se aplică condițiilor standard și poate fi căutat în tabele.
Dacă se cunosc entropiile standard molare ale materiilor prime și produselor, entropia standard de reacție ΔrS0 poate fi determinată matematic într-un mod analog entropiilor de reacție:
cu Δni ca modificare a cantității de substanță, care are un semn negativ pentru materiile prime și un semn pozitiv pentru produse.
Acest lucru se aplică și reacțiilor chimice:
Entropia totală a sistemului care reacționează și a mediului crește odată cu reacțiile chimice spontane.
Entropiile ΔS ale substanțelor organice în starea standard la 298,15 Kelvin (25 ° C) și 101,3 kPa pot fi găsite în tabele precum:
ΔS = ∑ ΔS (produse) - ∑ ΔS (materii prime)
ΔS = 2mol · 214 J/mol · K + 3mol · 189 J/mol · K - 283 J/mol · K · 1mol -
ΔS = 97 J/K (apă gazoasă) ⇒ creșterea entropiei
ΔS = -260 J/K (lichid. Apă) ⇒ scăderea entropiei
ΔH = ∑ ΔfH (produse) - ∑ ΔfH (educte) ⇒ calculul entalpiei standard de formare
Apă lichidă: ΔH = 2 mol (-393 kJ/mol) + 3 mol (-286 kJ/mol)
- 1mol · (-235 kJ/mol) - 3mol · 0 kJ/mol
ΔG = ΔH - T · ΔS ⇒ calculul entalpiei libere
ΔG = -1409 kJ - 298,15 K (-260 J/K) = -1331,48 kJ (apă lichidă)