pagina 64-71 chemie

Chemisch Evenwicht

1.6 Entropie

1.6.1 Spontane en Gedwongen Processen

Fysische en chemische processen kunnen plaatsvinden door uitwendige en inwendige oorzaken.

• Gedwongen processen: Deze processen hebben voortdurende uitwendige invloeden nodig. Ze stoppen wanneer deze invloeden wegvallen.

• Spontane processen: Deze processen kunnen plaatsvinden zonder voortdurende uitwendige invloeden; ze worden aangedreven door inwendige factoren.

1.6.2 Streven naar Lagere Enthalpie (H)

Veel spontane processen komen voort uit het vrijkomen van energie, ook wel exotherme processen genoemd. In deze processen evolueert het systeem van een hogere naar een lagere enthalpiewaarde, wat leidt tot een stabielere toestand.

Voorbeeldreacties:

• H(g) + H(g) → H₂(g)

• 2H₂(g) + O2(g) → 2H₂O(g)

1.6.3 Processen waarbij Enthalpie niet Daalt

Ooit dacht men dat alleen processen met dalende enthalpie spontaan waren. Nu weten we dat endo-energetische processen ook spontaan kunnen zijn. Enthalpie is dus niet de enige factor die rol speelt maar ook een tweede factor entropie.

Voorbeelden:

• Verdamping van water bij kamertemperatuur

• Oplossen van ammoniumchloride (NH4Cl) in water

1.6.4 Begrip Entropie

Entropie: een maat voor de wanorde binnen een systeem.

Voorbeeld met gasmoleculen: er zijn verschillende manieren om 4 identieke moleculen over twee ruimtes te verdelen. Verdelingen waarbij de moleculen gelijkmatig zijn verdeeld hebben een hogere entropie (meer wanorde).

• Bij spontane processen streeft de entropie (wanorde) naar een maximum.

1.6.5 Entropiewaarden

Entropie is afhankelijk van temperatuur, aggregatietoestand en het aantal deeltjes. Entropie toeneemt bij hogere temperaturen en gasvormige stoffen hebben een hogere entropie dan vaste stoffen.

De entropiewaarde van (S) van een systeem hangt dus af van de volgende factoren:

• De temperatuur

  • bij het absolute nulpunt geldt steeds S = 0

• bij stijgende temperatuur neemt ook de entropie toe: T↑ → S↑

  T is een belangrijke parameter voor de verandering in entropie, omdat hogere temperaturen meer energie en bewegingsvrijheid voor de deeltjes in het systeem met zich meebrengen.

• De aggregatietoestand : S(v) < S(vl) < S(g)

  Entropieverandering tijdens een Proces

  1. Spontane Reacties

     • Een chemische reactie is spontaner wanneer de entropie van de reactieproducten (S_P) groter is dan die van de reagentia (S_R).

     • De entropieverandering ( ΔS) moet positief zijn en zo groot mogelijk.

  2. Verandering van Toestand

     • Wanneer n mol stof van een toestand 1 naar een toestand 2 gaat met grotere wanorde, is er doorgaans warmte-energie (Q) nodig.

  3. Formules

     • Voor een proces dat bij constante temperatuur (T) plaatsvindt: ∆Q/n = T*∆S

     • Een alternatieve definitie van de entropieverandering is: ∆S = c * ln∆T

       ,waarbij c staat voor de warmtecapaciteit van de stof.

Voorbeeldreactie:

• Het aantal deeltjes in het systeem

  • bv. C₁₁H₂₄ + 17 O₂ → 11 CO₂ + 12 H₂O => S_R < S_p.

• Het aantal soorten deeltjes in het systeem

  • bv. A₂ (g) + B₂ → 2AB (v) => S_R > S_p.

• De verdelingsgraad: S(1 kg poedersuiker) > S(1 kg klontjessuiker)

• Het volume: bij het samendrukken van een gas neemt de entropie van het systeem af (minder wanorde)

• De aard van de stoffen in het systeem

1.6.6 Enkele Vraagjes m.b.t. Entropie

• Hoe ontdekte men dat streven naar minimale ∆H niet de enige voorwaarde was voor spontane reacties?

• Voorbeeld van maximale entropie in de natuur.

• Vergelijking van entropie van ijs en water bij 0°C.

• Wat gebeurt met entropie bij het oplossen van suiker in water?

1.6 Vrije Energie of Gibbs Energie (G)

1.6.1 Definitie

Gibbs introduceert een nieuwe grootheid, de vrije energie (G), die enthalpieverandering (∆H) en verandering van entropie (∆S) combineert. Een proces is spontaan als ∆G < 0.

∆G = ∆H - T*∆S

1.6.2 Vier Mogelijke Situaties

1. Exo-energetische Processen

   • Wanneer ΔH negatief is

     • Bij het aftrekken van een toenemende term (ΔS is positief), is ΔG altijd negatief.

     • Conclusie: Exo-energetische processen die gepaard gaan met entropietoename zijn ALTIJD SPONTAAN.

   • Wanneer ΔH negatief is

     • Bij het optellen van een toenemende term (ΔS is negatief), zal ΔG positief worden bij hogere temperaturen.

     • Conclusie: Exo-energetische processen die gepaard gaan met entropievermindering zijn SPONTAAN BIJ LAGE TEMPERATUUR.

2. Endo-energetische Processen

   • Wanneer ΔH positief is

     • Bij het aftrekken van een toenemende term (ΔS is positief), zal ΔG negatief worden bij hogere temperaturen.

     • Conclusie: Endo-energetische processen die gepaard gaan met entropietoename zijn SPONTAAN BIJ HOGE TEMPERATUUR.

   • Wanneer ΔH positief is

     • Bij het optellen van een toenemende term (ΔS is negatief), is ΔG altijd positief.

     • Conclusie: Endo-energetische processen die gepaard gaan met entropievermindering zijn NOOIT SPONTAAN.

• Exotherm (∆H < 0), ∆S > 0: Altijd spontaan.

• Exotherm (∆H < 0), ∆S < 0: Spontaan bij lage temperaturen.

• Endotherm (∆H > 0), ∆S > 0: Spontaan bij hoge temperaturen.

• Endotherm (∆H > 0), ∆S < 0: Nooit spontaan.

Overzicht

• Exotherm: ∆H < 0; ∆S > 0; ∆G < 0 bij alle temperaturen

• Endotherm: ∆H > 0; ∆S > 0; ∆G < 0 bij hoge temperaturen

Conclusie

De spontane aard van een proces hangt af van de interactie tussen enthalpieveranderingen en entropieveranderingen.