Закон Гесса. Изменение энергии Гиббса и направление реакции. Свободная энергия Гельмгольца

Список литературы 
1. Карапетьянц М. Х. Введение в теорию химических процессов. — 
М.: Высшая школа, 1981. 304 с. 
2. Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия — М.: 
Высшая школа, 1999. 527 с. 
3. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия — М.: Мир, 1978. 
645 с. 
4. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От 
тепловых двигателей до диссипативных структур. — М.: Мир, 
2002. 461 с. 
5. Борисов И. М. Основы электрохимии: учеб. пособие. -Уфа: Изд-
во БГПУ, 2009.- 115 с. 

---

ТЕМА: ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ И 
ТЕРМОДИНАМИКИ. КАТАЛИЗ И КАТАЛИЗАТОРЫ. 
ГОМОГЕННЫЙ И ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ. 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ СТАНДАРТНОМ ПОЛОЖЕНИИ 
ЭНТАЛЬПИЧЕСКИХ И ЭНТРОПИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ 
ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ
 
 
План: 
1. 
Вопросы теории и практики
2. 
Химия каталитических процессов
3. 
Катализ и производство катализаторов
Точно так же происходит и в химии. Свободная энергия Гиббса, также 
известная как химическая потенциальная энергия, указывает на то, 
превратятся ли одни химические соединения в другие. 
Каждая химическая смесь имеет различную свободную энергию Гиббса 
в зависимости от ее температуры, давления и состава. Знание потенциальной 
энергии для каждого компонента в химической реакции позволяет инженерам 
определить, будут ли они реагировать и как. 
Если потенциальная энергия продуктов больше, чем реагентов, то 
существует барьер для протекания этой реакции. Если потенциальная энергия 
продуктов меньше, чем реагентов, то реакция произойдет. 
Точно так же, как яблоко падает с дерева на землю, так и химия хочет 
переместить реакцию в точку, минимизирующую потенциальную энергию. 
Поэтому, когда инженеру необходимо «подтолкнуть» равновесную 
реакцию к получению определенного продукта, ему необходимо произвести 
манипуляции с химическим потенциалом смеси, изменяя ее температуру, 
внешнее давление и концентрацию компонентов. 
Что такое закон скорости и как он соотносится с порядком реакции? 

---

Законы скорости и порядки реакции описывают элементарные 
химические реакции. 
Скорость представленной реакции зависит от концентрации белых и 
синих молекул 
Обратимые реакции могут происходить так: 
Одна молекула распадается на новые компоненты. 
Две молекулы/атомы соединяются, образуя новые соединения. 
Две молекулы/атомы соединяются под влиянием третьего компонента, 
образуя новые соединения. 
К счастью, инженеры могут определить скорость неизвестных реакций 
на основе значений скорости для уже известных реакций. Таким образом, 
изучая и классифицируя элементарные реакции, ученые разработали правила 
скорости для оценки других реакций. 
Также существуют факторы, которые могут повлиять на скорость реакции: 
Температура. 
Давление. 
Свет (для фотолитических реакций). 
Электромагнитные поля (для плазменных или электрохимических реакций). 
Состояние химического вещества: твердое, жидкое или газообразное. 
Присутствие катализаторов. 
Молекулярный размер и структура. 
Площадь контактных поверхностей. 
Размер частиц. 
Что такое неэлементарные реакции? 
Часто учебники по химии определяют глобальную реакцию так же, как 
и элементарные реакции: 
zA + yB + … + aZ = Продукты реакции 
В действительности эта реакция может иметь тысячи промежуточных 
реакций, протекающих поэтапно. Общая реакция – когда все элементарные 

---

реакции идут к завершению – может быть затем упрощена до компонентов A, 
B, C, D и далее. 
Некоторые из этих реакций могут не зависеть от давления или 
температуры. Другие могут быть довольно сложными, требующими трех или 
более соединений, прежде чем они вступят в реакцию. Третьи могут быть 
ускорены путем введения катализатора, чтобы заставить систему предпочесть 
определенные пути реакции. 
Тем не менее, каждая из этих промежуточных реакций может по-
разному влиять на скорость общей реакции. Однако, когда у вас есть сотни 
соединений и тысячи реакций, процесс становится слишком сложен для 
оценки и управления. 
Традиционно инженеры были вынуждены определять скорость сложных 
реакций экспериментально. Однако, в наши дни можно легко использовать 
численное моделирование для их изучения, чтобы найти оптимальную 
температуру, технологию процесса или давление, а также сдвинуть систему в 
сторону. 
В каких случаях необходимо уделять повышенное внимание 
химической кинетике и термодинамике процессов? 
Рассмотрим реальный пример – сокращение вредных выбросов двигателя. 
Преобразование топлива в углекислый газ, воду и прочие составляющие 
происходит каждый день. Однако, нельзя игнорировать парниковые и вредные 
эффекты конечных продуктов реакции. 
Моделируя процесс с учетом кинетики и термодинамики химических 
реакций, инженеры могут контролировать, как горит топливо, чтобы 
уменьшить выброс определенных загрязняющих веществ. 
Знания в области химической кинетики и термодинамики могут помочь 
инженерам разрабатывать более совершенные двигатели и реакторы 
Главная задача — контролировать температуру, давление и воздушные 
смеси в двигателе так, чтобы доминировали процессы, которые вырабатывают 
больше энергии с наименьшим количеством загрязняющих веществ. 
Проблема заключается в том, что бензин не является монолитным 
химическим соединением. Это многокомпонентная смесь, состав которой 
может варьироваться в концентрациях в зависимости от местоположения, 
сезона и производственных процессов. Поэтому инженерам нужно 
спроектировать двигатель, чтобы он работал на самых разных видах топлива. 

---

В процессе сгорания топлива в камере сгорания двигателя 
задействованы тысячи реакций. Поэтому лучший способ оценки уровня 
вредных выбросов – использование численного моделирования. 
Современные 
CFD-решатели 
Ansys 
позволяют 
дополнить 
моделирование гидрогазодинамических процессов химическими реакциями с 
учетом их кинетики и термодинамики, благодаря чему можно проводить 
оптимизацию механизма сгорания. В то же время использование 
мультидисциплинарного подхода к моделированию в среде Ansys Workbench 
позволяет проанализировать и другие процессы в двигателе, например, 
термопрочностные и усталостные, обусловленные циклической тепловой 
нагрузкой. 
По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на 
положительный (скорость реакции растёт) и отрицательный (скорость 
реакции падает). В случае ингибирования цепных реакций, ингибитор 
расходуется в процессе реакции, поэтому данный случай нельзя считать 
отрицательным катализом. 
Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В 
гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы 
реакции, в то время как гетерогенные катализаторы отличаются фазой. 
Гомогенный катализ 
Примером гомогенного катализа является разложение пероксида 
водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии: 
При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он 
вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием 
промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации. 
Гетерогенный катализ 
При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на 
поверхности твёрдого тела — катализатора, поэтому активность катализатора 
зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор 
обычно наносят на твёрдый пористый носитель. 
Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. 
Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причём все они 
обратимы: 
• Диффузия реагирующих веществ к поверхности твёрдого вещества; 
• Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твёрдого 
вещества реагирующих молекул и затем их хемосорбция; 

---

• Химическая реакция между реагирующими молекулами; 
• Десорбция продуктов с поверхности катализатора; 
• Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток. 
Примером гетерогенного катализа является окисление SO2 в SO3 на 
катализаторе V2O5 при производстве серной кислоты (контактный метод). 
Течение реакции именно на поверхности катализатора можно 
продемонстрировать на опыте, в котором пластинку из платины нагревают в 
пламени газовой горелки, затем пламя тушат и пускают на пластинку струю 
газа из горелки, при этом пластинка снова раскаляется докрасна — окисление 
метана происходит на поверхности металла. 

---