Установление химического равновесия без катализатора и с катализатором

Рассмотрим равновесное состояние систем, в которых протекают обратимые процессы, с позиции второго начала термодинамики. Термодинамическим условием наступления равновесия в любой системе является равенство нулю изменения энергии Гиббса ΔG = 0, а также отсутствие изменения и других параметров системы во времени. В состоянии равновесия энергия Гиббса системы имеет минимальное значение (G = min), вследствие чего состояние равновесия является для системы энергетически выгодным и устойчивым во времени.

В результате протекания в системе обратимого химического процесса аА + bВ ↔ dD + fF при изобарно-изотермических условиях изменение энергии Гиббса описывается уравнением изотермы реакции:

где ΔG° - изменение стандартной энергии Гиббса в ходе химического процесса при стандартных условиях.

При установлении в системе химического равновесия изменение энергии Гиббса равно нулю (ΔG_p = ΔG = 0), и концентрации всех реагирующих веществ становятся равновесными, а их соотношение - равным константе химического равновесия:

ΔG_p^° = ΔG = 0 = ΔG_p^° + RT ln К следовательно, ΔG_p^° = - RT ln K или ΔG_p^° = -2,3RT lg K

lg K = - ΔG_p^°/2,3RT

Изменение стандартной энергии Гиббса при взаимодействии любых веществ можно рассчитать, используя табличные значения соответствующих термодинамических величин для реагирующих веществ и продуктов реакции.

Если ΔG_p^° < 0, то K > 1- Это означает, что в равновесной смеси преобладают продукты прямой реакции.

Если ΔG_p^° > 0, то K < 1. Это означает, что в равновесной смеси преобладают исходные вещества.

Таким образом, термодинамические расчеты позволяют теоретически определить состав равновесной смеси для обратимого процесса при заданных условиях.

Полученное соотношение между изменением стандартной энергии Гиббса обратимого химического процесса и константой его равновесия является универсальным. Это соотношение применимо к состоянию равновесия любого обратимого динамического процесса: химического взаимодействия, биохимических процессов, физико-химических процессов (растворение, фазовые переходы, осмос, диссоциация и электрохимические явления). Таким образом, термодинамика устанавливает соотношение между изменением стандартной энергии Гиббса в результате процесса, идущего в системе, и концентрациями участвующих компонентов в состоянии химического равновесия.