Chemie Past Paper - Entropie (PDF)

## Perspectief, Deel 2 - Chemisch Evenwicht ### 1.6 Entropie #### 1.6.1 Spontane en Gedwongen Processen * Fysische en chemische processen kunnen optreden onder invloed van uitwendige oorzaken en/of inwendige oorzaken. * **Gedwongen processen** zijn processen die optreden a.g.v. een voortdurende we...

## Perspectief, Deel 2 - Chemisch Evenwicht ### 1.6 Entropie #### 1.6.1 Spontane en Gedwongen Processen * Fysische en chemische processen kunnen optreden onder invloed van uitwendige oorzaken en/of inwendige oorzaken. * **Gedwongen processen** zijn processen die optreden a.g.v. een voortdurende werking van een uitwendige oorzaak. Zodra de uitwendige factor wegvalt, stopt het gedwongen proces. * **Zelfonderhoudende of spontane processen** zijn processen die zonder een voortdurende werking van een uitwendige oorzaak kunnen verlopen. Deze worden uitgelokt door een inwendige drijfveer. #### 1.6.2 Streven naar Lagere Enthalpie (H↓) * In vele zelfonderhoudende processen wordt op de een of andere manier energie vrijgemaakt. Dit zijn **exotherme processen**. * Hierbij evolueren de systemen van een hogere naar een lagere enthalpiewaarde. Er grijpt een overgang plaats van een energierijke, onstabiele toestand naar een energiearme, meer stabiele toestand. * Deze inwendige drijfveer kan je omschrijven als het streven naar een lagere enthalpiewaarde (ΔΗ < 0). * Men spreekt ook over de **exothermiciteit** of het criterium van spontaniteit. | Vb 1 | H(g) + H(g) → H₂(g) | ΔH = -436 kJ/mol | |---|---|---| | Vb 2 | 2 H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) | ΔH = -480 kJ/mol | #### 1.6.3 Processen Waarbij Enthalpie Niet Daalt * Men was een lange tijd van mening dat processen, waarbij de enthalpie daalt, de enige spontane processen waren. Later kwam men tot de vaststelling dat ook endo-energetische processen spontaan kunnen plaatsvinden. * Vb 1: Verdamping van water bij kamertemperatuur. * Vb 2: Ammoniumchloride NH₄Cl oplossen in water. * NH₄Cl(s) → NH₄Cl(aq) * De enthalpie is dus niet de enige factor die een rol speelt! Er is nog een tweede bepalende factor of een proces al dan niet spontaan optreedt. Dit is de **entropie**. #### 1.6.4 Begrip Entropie * Entropie kunnen we definiëren als een maat voor de **wanorde** van een systeem. * Een voorbeeld kan dit verduidelijken. Stel dat we 4 identieke gasmoleculen (A, B, C en D) verdelen over twee ruimtes die met elkaar verbonden zijn. Deze verdeling kan op verschillende manieren gebeuren. * Voor deze 4 moleculen zijn er dus 16 verdelingsmogelijkheden. * De kans dat alle moleculen in de linkerruimte zitten is slechts 1 op 16: dit is dus weinig waarschijnlijk. Even onwaarschijnlijk is de kans dat alle moleculen zich in de rechterruimte bevinden. De kans dat in beide ruimtes evenveel moleculen zitten is het grootst (6/16): deze verdeling is het meest waarschijnlijk. * Men zegt ook wel dat verdelingen 1 en 5 het meest ordelijk zijn, terwijl bij verdeling 3 de wanorde het grootst is. * Indien we, zoals dat in de praktijk het geval is, een veel groter aantal moleculen (1 mol gas bijvoorbeeld bevat 6·10²³ moleculen) moeten verdelen, dan wordt het verschil nog veel groter. De kans dat alle moleculen zich in één ruimte bevinden is dan immens klein en de kans op een gelijkmatige verdeling is dan oneindig veel groter. * Het is overduidelijk dat verdeling 3 de meest waarschijnlijke is en dat deze verdeling spontaan zal optreden. Dit is nu net de verdeling met de grootste entropie. * Ter info: Boltzmann definieerde de grootheid entropie S als volgt: * S = k_B * ln Ω = R/N_A * ln Ω * k_B = constante van Boltzmann * R = algemene gasconstante * N_A = constante van Avogadro * Bij het absolute nulpunt bezitten de deeltjes geen energie meer en kunnen ze dus niet meer van plaats veranderen. Er is dus slechts één microtoestand mogelijk (Ω=1) en de entropie is dan gelijk aan 0. #### 1.6.5 Entropieverandering Tijdens een Proces * Een chemische reactie zal dus spontaner verlopen naarmate de entropie van de reactieproducten (S_p) groter is dan die van de reagentia (S_R). De entropieverandering moet dus positief zijn en zo groot mogelijk. * Als n mol stof van een toestand 1 naar een toestand 2 met grotere wanorde wordt gebracht, dan is hiervoor meestal warmte-energie (Q) vereist. * Voor een proces dat bij constante temperatuur T verloopt, geldt: * ΔQ/n = T*ΔS * Ter info: Een andere definitie van de entropieverandering is * ΔS = c*lnΔT * c = de warmtecapaciteit van de stof #### 1.6.6 Enkele Vraagjes mbt Entropie * Hoe kwam men erachter dat streven naar een minimale ΔΗ niet de enigste voorwaarde was voor een spontane reactie? * Geef een voorbeeld dat de natuur altijd streeft naar een maximale entropie. * Is de entropie groter bij ijs van 0°C of bij water van 0°C? * Wat gebeurt er met de entropie als we suiker gaan oplossen in water? * Wat gebeurt er met de entropie als we een damp van di-jood gaan condenseren? ### 1.6. Vrije Energie of Gibbs Energie G #### 1.6.1 Definitie * Beide grootheden, de enthalpieverandering zowel als de verandering van entropie, ΔΗ en ΔS bepalen de spontaniteit van een proces. Een nieuwe grootheid dringt zich op die beide parameters bundelt, de vrije energie of Gibbs energie G. * ΔG = ΔΗ - T*ΔS * ! Volgens Gibbs is een proces spontaan als ΔG < 0 is. #### 1.6.2 4 Mogelijke Situaties * **Exo-energetische Processen** * ΔΗ < 0 * AG = ΔΗ - T*ΔS * Vermits ΔΗ negatief is en we daarvan een toenemende term aftrekken (AS is positief), is AG altijd negatief. * Exo-energetische processen die gepaard gaan met entropietoename zijn **ALTIJD SPONTAAN**. * **Endo-energetische Processen** * ΔΗ > 0 * AG = ΔΗ - T*ΔS * Vermits ΔΗ positief is en we daarvan een toenemende term bijtellen (AS is negatief), is AG altijd positief. * Endo-energetische processen die gepaard gaan met entropieafname zijn **NOOIT SPONTAAN**. #### Overzicht | | ΔΗ < 0 | ΔΗ > 0 | |---|---|---| | AS > 0 | AG < 0 bij alle T Aflopend proces | AG < 0 bij hoge T Onvolledig proces | | AS < 0 | AG < 0 bij lage T Onvolledig proces | AG > 0 bij alle T Geen zelfonderhoudend proces |