Dérivation de léquation de van ' t Hoff pour la dépendance à la température de la constante déquilibre

Pendant que je lisais sur lutilité de la quantité $ \ Delta H $, jai trouvé quelle peut être utilisée pour calculer comment la constante déquilibre varie avec la température. Comment cela peut-il être fait?

Est-il en accord avec les prédictions du principe de Le Chatelier (que pour une réaction exothermique, laugmentation de la température défavorise la formation du produit et vice versa)?

Commentaires

  • Dans ma réponse , vous pouvez trouver une dérivation de la formule de la constante déquilibre qui vous donne sa dépendance à la température.

Réponse

Léquation liant $ \ Delta H ^ \ circ $ et $ K $ sappelle le van « t Hoff équation . Puisque le commentaire de Philipp sur votre question renvoie déjà à une discussion très approfondie sur lorigine de léquation $ \ Delta G ^ \ circ = -RT \ ln {K} $ de, je ne vais pas le répéter.

La définition de lénergie libre de Gibbs, $ G $ , est $ G = H – TS $ . En utilisant $ \ mathrm dG = V \, \ mathrm dp – S \, \ mathrm dT $ nous obtenons la relation de Maxwell

$$ \ left (\ frac {\ partial G} {\ partial T} \ right) = -S $$

et donc léquation de Gibbs – Helmholtz ( derivation ici )

$$ \ left (\ frac {\ partial (G / T )} {\ partial T} \ right) = – \ frac {H} {T ^ 2} \ quad \ Leftrightarrow \ quad \ left (\ frac {\ partial (\ Delta G ^ \ circ / T)} {\ partial T} \ right) = – \ frac {\ Delta H ^ \ circ} {T ^ 2} $$

Depuis $ \ ln K = – \ Delta G ^ \ circ / RT $ , nous avons

$$ \ frac {\ mathrm d (\ ln {K}) } {\ mathrm dT} = – \ frac {1} {R} \ frac {\ mathrm d} {\ mathrm dT} \ left (\ frac {\ Delta G ^ \ circ} {T} \ right) = \ frac {\ Delta H ^ \ circ} {RT ^ 2} $$

Cest la forme différentielle de léquation de van « t Hoff; ce nest pas la chose la plus utile pour nous cependant car il ne vous indique que la pente dun graphique de $ \ ln {K} $ contre $ T $ à un moment donné. Nous séparons généralement les variables et les intégrons des deux côtés:

$$ \ int _ {\ ln {K_1}} ^ {\ ln {K_2}} \ ! \ mathrm d (\ ln {K}) = \ int_ {T_1} ^ {T_2} \! \ frac {\ Delta H ^ \ circ} {RT ^ 2} \, \ mathrm dT $$

$$ \ ln {K_2} – \ ln {K_1} = \ frac {\ Delta H ^ \ circ} {R} \ left (\ frac {1 } {T_1} – \ frac {1} {T_2} \ right) $$

Donc, si vous connaissez la constante déquilibre $ K_1 $ à une certaine température $ T_1 $ et vous voulez trouver la constante déquilibre $ K_2 $ à une température différente $ T_2 $ , vous pouvez simplement brancher vos valeurs dans léquation et résoudre pour $ K_2 $ .

Notez que cette équation prend en charge ce que vous savez du principe de Le Chatelier; si la réaction est exothermique, $ \ Delta H ^ \ circ < 0 $ , et si vous i naugmenter la température de $ T_1 $ à $ T_2 > T_1 $ puis $ (1 / T_1 – 1 / T_2) > 0 $ . Le RHS de léquation est donc négatif, ce qui signifie que $ \ ln {K_2} < \ ln {K_1} \ Rightarrow K_2 < K_1 $ ce qui implique que la position déquilibre sest déplacée vers la gauche.

Notez que la dernière étape (lintégration) fait lhypothèse que $ \ Delta H ^ \ circ $ est une constante sur la plage de température $ T_1 $ à $ T_2 $ . Notez que ce nest généralement pas vrai, mais si la plage de température nest pas trop grande, vous obtiendrez des résultats assez précis grâce à lutilisation de cette équation.

Commentaires

  • Le changement denthalpie $ \ Delta H ^ \ circ $ fait référence à un état standard (une pression spécifique). Donc $ \ Delta H ^ \ circ $ dépend aussi de la température. Comment savons-nous que si un la réaction est endothermique à des conditions spécifiques $ (T_1, p ^ \ circ) $ serait également endothermique dans différentes conditions $ (T_2, p ^ \ circ) $, on peut donc appliquer Le Chatelier '?
  • @adosar vous devez trouver la dépendance de $ \ Delta H $ à la température. Cela dépend de la capacité thermique des produits et des réactifs. Une explication complète est beaucoup trop longue pour un commentaire , mais recherchez la loi de Kirchhoff '.Le manuel Atkins ' aura une section dessus. Il y en a une brève mention à chemistry.stackexchange.com/questions/39620/…
  • Merci. Je vais vérifier.

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