Оценить термодинамическую возможность протекания в стандартных условиях реакции N2(г) + 2 H2O(ж) = NH4NO2(т) Может ли эта реакция протекать при высоких температурах? почему величину энергии Гиббса можно истользовать в качестве критерия самопроизвольности протекания реакции. объяснить, возможны ли случаи, когда реакции с дельтаG<0 не идут. ​

Для того чтобы оценить термодинамическую возможность реакции, давайте разберём основные аспекты, которые помогут ответить на этот вопрос.

Реакция, которую мы рассматриваем:
N₂(г) + 2 H₂O(ж) → NH₄NO₂(т)

1. Использование энергии Гиббса для оценки самопроизвольности

Энергия Гиббса (ΔG) является важным термодинамическим параметром, который помогает определить, будет ли реакция самопроизвольной. Если ΔG < 0, реакция будет самопроизвольной, если ΔG > 0 — не самопроизвольной, а если ΔG = 0, то система находится в равновесии.

Формула для вычисления изменения энергии Гиббса:

где:

• $\Delta H$ — изменение энтальпии (теплотворная способность),
• $\Delta S$ — изменение энтропии (мера беспорядка системы),
• $T$ — температура в кельвинах.

Для реакции, чтобы она протекала самопроизвольно, необходимы такие условия, при которых $\Delta G$ будет отрицательным, что можно достичь, например, если температура достаточно высокая (влияние энтропии).

2. Что влияет на величину ΔG?

• ΔH (изменение энтальпии): если реакция экзергоническая (выделяет тепло), то это будет способствовать уменьшению ΔG и повышению вероятности протекания реакции.
• ΔS (изменение энтропии): если в ходе реакции количество молекул в газовой фазе уменьшается или происходит образование более упорядоченных веществ, то энтропия уменьшится ($\Delta S < 0$), что может затруднить протекание реакции, особенно при низких температурах.

3. Может ли реакция протекать при высоких температурах?

Для данной реакции важно рассмотреть её энтальпийные и энтропийные изменения. Мы можем предположить, что реакция, вероятно, будет эндотермической (ΔH > 0), поскольку она включает в себя образование твердого вещества из газов и жидкостей. Твердое вещество (NH₄NO₂) будет более упорядоченным, что может привести к снижению энтропии. Поэтому при низких температурах эта реакция вряд ли будет самопроизвольной.

Однако при высоких температурах увеличение температуры $T$ может сделать вклад $- T \Delta S$ достаточным, чтобы обеспечить $\Delta G < 0$, даже если ΔH > 0, так как термодинамически реакция будет склоняться к самопроизвольности за счет роста энтропии. То есть, реакция может протекать при высоких температурах, если энтропийный эффект окажется достаточно большим.

4. Возможны ли случаи, когда реакция с ΔG < 0 не идет?

Да, такие случаи возможны. Например, если реакция требует значительного активационного барьера (энергетического барьера для начала реакции), то реакция может не происходить, несмотря на отрицательное ΔG. Это происходит из-за того, что термодинамическая самопроизвольность не гарантирует её кинетическую осуществимость. В таких случаях реакция может требовать дополнительных условий, таких как высокая температура или наличие катализатора.

Заключение

Реакция N₂(г) + 2 H₂O(ж) → NH₄NO₂(т) при стандартных условиях (температура 298 К, 1 атм) вероятно не будет протекать, поскольку, возможно, она будет иметь положительное ΔH и отрицательное ΔS, что приведет к положительному ΔG. Однако при повышении температуры, когда вклад $-T \Delta S$ становится значительным, реакция может стать самопроизвольной. Важно учитывать, что даже если ΔG < 0, реакция может не идти из-за высоких активационных барьеров.