РАСЧЁТ ЭНЕРГИИ ГИББСА

В данной статье приводится алгоритм расчета энергии Гиббса в химических реакциях.

Энергия Гиббса (rG)  определяет  возможность протекания химической реакции при постоянном давлении и температуре при р, Т=соnst). Если  rG < 0, то реакция может протекать самопроизвольно, при rG > 0 самопроизвольное протекание реакции невозможно, если же rG = 0, система находится в состоянии равновесия.

Чтобы хорошо понимать, что же такое энергия Гиббса и для чего она используется, необходимо ввести понятия энтальпия и энтропия.

Энтальпия (- это та энергия, которой обладает система, находящаяся при  постоянном давлении P [1]. Она рассчитывается по формуле:

где  энтальпия химической реакции, стандартная энтальпия образования.

Энтропия (-  это термодинамическая функция состояния системы, характеризующая  хаотичность движения частиц. Изменение энтропии при химических реакциях определяется следующим образом:

где  энтропия химической реакции,  стандартная энтропия образования вещества (табличные данные).

 Именно их суммарный эффект, при постоянной температуре и давлении, будет называться изменением энергии Гиббса. А её характер позволяет судить о том, идет ли химический процесс или нет.

Вычисляется энергия Гиббса по формуле:

 .                                                 (3)

Рассчитаем энергию Гиббса реакции, выраженной уравнением:

.

На первом шаге вычислим изменение энтальпии по формуле (1):

После подстановки фактических значений получим:

Далее для определения энтропии воспользуемся формулой (2):

Теперь можно рассчитать энергию Гиббса:

.

Необходимо узнать, при какой температуре будет протекать данный процесс. При  энергия Гиббса положительная , следовательно, реакция идет в обратном направлении:

.

.

Именно при данной температуре данный процесс будет идти как в прямом, так и в обратном направлении.

Для того чтобы автоматизировать подобные вычисления для всех видов уравнений, разработаем алгоритм расчета энергии Гиббса химической реакции.

Блок схема разработанного алгоритма приведена на рис.1.

Рисунок 1. Блок схема алгоритма

Опишем этапы расчётов.

На первом шаге задаём начальные значения переменным:

N - количество элементов уравнения,

T- температура химической реакции,

K- массив коэффициентов уравнения,

H- массив значений энтальпии элементов химической реакции,

S - массив значений энтропии элементов химической реакции.

Далее вычисляем суммарное значение энтальпии:

Расчёт энтропии проводим по формуле:

При заданном значении температуры (Т) энергия Гиббса равна:

.

Необходимо определить при какой конкретной температуре T, будет протекать данная реакция в прямом и обратном направлении:

.

Реализуем разработанный алгоритм с помощью PascalABC.NET (рис.2) и протестируем его на примере вычисления энергии Гиббса для уравнения:

.

Рисунок 2. Фрагмент программы расчета энергии Гиббса

Результаты выполнения программы приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Результаты расчета энергии Гиббса

Таким образом, автоматизированный расчет энергии Гиббса, описанный в статье, позволит существенно сократить время вычислений по сравнению с ручными расчетами, и позволит получать более точные данные, что необходимо при проведении химических реакций.

Список литературы:

1. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: Учебник / Н.С. Ахметов. - СПб.: Лань, 2014. - 752 c.
2. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие / Н.Л. Глинка. - М.: КноРус, 2013. - 752 c.
3. Лучников В.А. Программирование на языке Паскаль: учеб. пособие. – Иркутск: ИрГУПС, 2014. – 168 с.