Изменения свободной энергии для нестандартных состояний

Стандартное изменение свободной энергии для реакции может быть определено только в том случае, если оно происходит в условиях стандартного состояния когда и исходные вещества, и продукты находятся в своих стандартных состояниях. Однако большинство химических реакций в этих условиях не происходит. При любых условиях стандартных или нестандартных относительное количество продуктов и исходных веществ, участвующих в реакции, описывается реакционным коэффициентом Q.Для реакций, протекающих в растворе, Q рассчитывается из соотношения концентраций продукта и исходных веществ, при этом концентрация каждого исходного вещества возведена в степень его стехиометрического коэффициента.Для газовых реакций вместо концентраций можно использовать парциальные давления газов. Изменение свободной энергии реакции равно сумме изменения свободной энергии в стандартном состоянии для реакции, дельта G равна нулю и RT, умноженной на натуральный логарифм Q.Здесь R универсальная газовая постоянная в джоулях на моль-кельвин, а Т температура реакции в кельвинах. При постоянной температуре свободная энергия в стандартном состоянии имеет фиксированное значение, но Q изменяется, поскольку зависит от состава реакционной смеси.Рассмотрим синтез газообразного аммиака из азота и водорода при температуре 298 кельвинов. В стандартных условиях, которыми для газа является чистый газ при 1 атмосфере, парциальные давления всех компонентов равны 1 атмосфере, а величина коэффициента реакции равна 1. Таким образом, изменение свободной энергии реакции равно стандартному изменению свободной энергии реакции, а именно минус 32, 8 килоджоулей на моль, и прямая реакция является самопроизвольной.В нестандартных условиях компоненты реакционной смеси могут первоначально иметь парциальное давление 1, 2 атмосферы у азота, 3, 6 атмосферы у водорода и 0, 60 атмосферы у аммиака. Как и раньше, коэффициент реакции можно определить из значений парциальных давлений. Подставив Q в уравнение, свободная энергия реакции будет равна минус 45, 3 килоджоулей на моль, что указывает на самопроизвольную реакцию в прямом направлении.По мере протекания прямой реакции образуется больше аммиака, и реакционный состав изменяется. Когда исходные вещества и продукты реакции находятся в равновесии, изменение свободной энергии реакции равно нулю, и значение RT, умноженное на натуральный логарифм Q, равно и противоположно по знаку стандартному изменению свободной энергии. Теперь, если реакционная смесь имеет парциальное давление 0, 02 атмосферы у азота, 0, 06 атмосферы у водорода и 4, 8 атмосферы у аммиака, то Q намного больше, а изменение свободной энергии составляет 5, 6 килоджоулей на моль.Положительное изменение свободной энергии указывает на то, что обратная реакция энергетически выгодна. Таким образом, в этих условиях аммиак разлагается с образованием азота и водорода.