Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 20

Co właściwie ma wpływ na zachodzenie poszczególnych reakcji chemicznych? Dlaczego wodór i tlen łączą się, dając wodę, chociaż woda mogłaby się równie dobrze rozpaść na te dwa pierwiastki?

Pierwszym przypuszczeniem jest, że kryje się za tym energia. Być może każda reakcja dąży do uwolnienia energii? W przypadku wspomnianej wyżej reakcji rzeczywiście tak jest – jest ona silnie egzotermiczna. Istnieją jednak również reakcje endotermiczne, podczas których zużywana jest energia. Jeśli na przykład wlać do wody azotan amonu, mieszanina ta wówczas wyraźnie się ochłodzi – tę właściwość można wykorzystać w opakowaniach chłodzących. Nie jest to co prawda tradycyjna reakcja chemiczna – nie powstają tu nowe substancje – ale pokazuje to, że procesy mogą również przebiegać samoczynnie, jeśli zużywają energię.

Sprawa jest więc bardziej skomplikowana – energia na pewno odgrywa rolę, ale istotna jest tutaj inna wielkość: entropia !

Druga zasada termodynamiki mówi, że w zamkniętym systemie entropia z biegiem czasu dąży do wartości maksymalnej i osiąga ją ostatecznie poprzez równowagę termiczną.

Wodór spala się z tlenem bardzo gorącym, praktycznie niewidzialnym płomieniem do pary wodnej. Na zdjęciu widać przebieg testowy głównego napędu promu kosmicznego w 1981 roku

Jednak reakcje chemiczne zazwyczaj nie zachodzą w systemie zamkniętym, ponieważ może zajść na przykład wymiana ciepła z otoczeniem (np. z laboratorium). W przypadku entropii należy uwzględnić również otoczenie, które posiada temperaturę T oraz ciśnienie p.

Na szczęście istnieje pewna wielkość dla obserwowanego systemu, która osiąga minimalną wartość wtedy, kiedy łączna entropia systemu i otoczenia osiąga wartość maksymalną. Ta wielkość to energia Gibbsa lub entalpia swobodna (G) i definiuje się ją w następujący sposób:

G = U + p ⋅ V ⋅ T ⋅ S

U jest energią wewnętrzną systemu, p ciśnieniem, V objętością systemu, T temperaturą wyrażoną w kelwinach a S entropią systemu (bez otoczenia).

Im wyższa temperatura, tym bardziej na prawo przesuwa się minimum energii Gibbsa. W wysokiej temperaturze w równowadze występuje bardzo mało cząsteczek wody, a za to dużo cząsteczek wodoru i tlenu; w niskiej temperaturze panuje odwrotna sytuacja. W temperaturze pokojowej występują prawie same cząsteczki wody – minimum energii Gibbsa znajduje się więc daleko po lewej stronie

Za pomocą tego równania można bardzo dobrze zrozumieć, kiedy powstaje woda, a kiedy będzie się ona rozkładała na cząsteczki. Przy niskich temperaturach współczynnik entropii T ⋅ S nie odgrywa wielkiej roli, a więc można zminimalizować G, zmniejszając wewnętrzną energię U cząsteczki. Cząsteczki wody mają mniejszą zawartość energii niż cząsteczki wodoru i tlenu, więc będą się one raczej łączyły, dając wodę.

Z kolei przy bardzo wysokich temperaturach istotny jest ujemny współczynnik entropii T ⋅ S. Entropia zwiększa się, kiedy liczba swobodnie poruszających się cząsteczek wzrasta – tak właśnie dzieje się, gdy przez dysocjację termiczną powyżej 1700°C zaczynają się rozpadać cząsteczki wody i z dwóch cząsteczek wody powstają łącznie trzy cząsteczki gazu (czyli jedna cząsteczka tlenu i dwie cząsteczki wodoru).

Współczynnik objętości p ⋅ V zyskuje na znaczeniu dopiero przy wysokim ciśnieniu. Objętość gazu stara się wówczas zmniejszyć się poprzez redukcję liczby cząsteczek. W metodzie Habera i Boscha wykorzystuje się to zjawisko, by za pomocą ciśnienia o wartości ok. 300 barów sprawić, by azot i wodór połączyły się w amoniak potrzebny do produkcji nawozu . Wówczas z trzech cząsteczek wodoru i jednej cząsteczki azotu powstają dwie cząsteczki amoniaku – łączna liczba cząsteczek spada więc o połowę podczas tej reakcji, co widać również na przykładzie jej równania:

N₂ + 3 H₂ → 2NH₃

Cząsteczki azotu (na niebiesko) i cząsteczki wodoru (na jasnoniebiesko) reagują przy wysokim ciśnieniu, tworząc amoniak. W trakcie tej reakcji liczba cząsteczek, a tym samym ich objętość, zmniejsza się o połowę