Введение в физическую и коллоидную химию.
План лекции
1. Введение. Определения и сущность явлений изучаемых физической и коллоидной химией.
2. Введение в химическую термодинамику.
3. Понятия: система, параметры системы, функции состояния системы, термодинамические процессы.
4. Функции системы: внутренняя энергия и энтальпия. Математические выражения для них, их взаимосвязь.
5. 1 закон термодинамики – закон сохранения энергии.
6. 2 закон термодинамики. Однонаправленность процессов.
7. Свободная энергия системы. Самопроизвольные процессы.
Термин «физическая химия» и определение этой науки впервые были даны М.В. Ломоносовым. «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях».
Современное определение: Физическая химия – наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики.
Современная физическая химия изучает много разнообразных явлений и, в свою очередь, разделяется на крупные, практически самостоятельные разделы области науки – электрохимию, фотохимию, химическую термодинамику и т. д. Но и сегодня основной задачей физической химии является изучение взаимосвязи физических и химических явлений.
Физическая химия-это не только теоретическая дисциплина. Знание законов физической химии позволяет понять сущность химических процессов и сознательно выбирать наиболее благоприятные условия для их практического осуществления. В основе многих процессов, протекающих при производстве металлов и их сплавов, получении пластмасс, химических волокон, удобрений, лекарственных препаратов, неорганических веществ, лежат законы физической химии.
Одним из разделов физической химии, который превратился в самостоятельную науку, является коллоидная химия. В коллоидной химии изучаются свойства систем, в которых одно вещество, находящееся в раздробленном (дисперсном) состоянии в виде частиц, состоящих из множества молекул, распределено в какой-либо среде (такие системы называются коллоидными). В коллоидную химию также в виде самостоятельного раздела входит физикохимия высокомолекулярных соединений или полимеров – природных (белка, целлюлозы, каучука и др.) и синтетических, имеющих молекулы очень больших размеров.
Большое значение физколлоидная химия имеет для пищевой технологии. Используемое для пищевой промышленности сырье и получаемые на предприятиях пищевой промышленности продукты питания в большинстве случаев являются или коллоидными системами, или ВМС. Такие распространенные в химии пищевой промышленности технологические операции как уваривание, сепарация, дистилляция, экстракция, кристаллизация и растворение, гидрирование могут быть поняты только на основе законов физической химии. Все биохимические процессы, лежащие в основе ряда пищевых производств, также подчиняются законам физической химии.
На методах физколлоидной химии основан и технохимический контроль пищевых производств: определение кислотности, содержание сахаров, жира, воды, витаминов, белков.
Химическая термодинамика
Термодинамика – раздел физической химии, в то ж время является самостоятельной наукой, которая
1) изучает законы взаимного превращения различных видов энергии при физических и химических процессах
2) определяет зависимость энергетического эффекта этих процессов от условий их протекания
3) позволяет установить принципиальную возможность самопроизвольного течения химической реакции в данных условиях.
В химической термодинамике рассматриваются основные термодинамические законы. Термодинамические законы позволяют предсказать не только принципиальную возможность протекания реакций при данных условиях, но и выход продукта и тепловой эффект реакции. Реакции, протекающие с выделением тепла, могут служить источниками тепловой энергии. Изучение энергетических эффектов дает информацию о строении соединения, межмолекулярных связях и реакционной способности.
Термодинамика использует следующие понятия:
Система – тело (группа тел), выделенное из окружающей среды (фактически или мысленно).
Фаза – совокупность однородных частей системы с одинаковыми свойствами и имеющих поверхность раздела с другими частями системы. Например, система вода-лед имеет один и тот же химический состав, но отличается плотностью, строением, свойствами, следовательно, это двухфазная система.
Системы бывают гомогенные – содержат одну фазу (например, воздух, жидкие растворы – нет поверхности раздела), гетерогенные – содержат несколько фаз.
Химически однородная система – система, все участки объема которой обладают одинаковым составом. Физически однородная система – все участки объема обладают одинаковыми свойствами.
Изолированная система не может обмениваться с окружающей средой веществом или энергией (теплотой или работой), т.е. объем и энергия изолированной системы - постоянны.
Неизолированная система – может обмениваться с окружающей средой веществом ли энергией.
Закрытая система – не обменивается с окружающей средой веществом, но может – энергией, объем системы – непостоянен.
Открытая система – система, свободная от всех ограничений.
Любая система в любой момент может находиться в каком-то определенном состоянии.
Состояние – это совокупность физических и химических свойств, характеризующих данную систему. Свойства могут быть интенсивные - не зависящие от количества вещества (Р,Т), и экстенсивные – зависящие от количества вещества (масса, объем).
При рассмотрении термодинамических свойств системы называют термодинамическими, такие системы характеризуются термодинамическими параметрами : температура, давление, объем, концентрация и др.
Так состояние равновесия в системе устанавливается при некоторых определенных сочетаниях термодинамических параметров. Математическое уравнение, показывающее взаимосвязь этих параметров для данной равновесной системы, называют уравнением состояния:
PV = nRT – Уравнение Менделеева-Клапейрона
Изменение хотя бы одного из параметров означает изменение состояния всей системы.
Термодинамический процесс – это любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из параметров. Если изменение параметра не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы, такое изменение называют функцией состояния . Процесс не зависит от пути протекания, а определяется начальным и конечным состоянием системы.
Круговой процесс или цикл - процесс, при котором термодинамическая система из начального состояния, претерпев ряд изменений, возвращается в первоначальное состояние. В таком процессе изменение любого параметра равно нулю.
Процессы могут иметь обратимый или необратимый характер.
Обратимый процесс – процесс, допускающий возможность возвращения в исходное первоначальное состояние.
Необратимый процесс – не означает, что этот процесс невозможно провести в обратном направлении. Необратимость означает. Что такое возвращение невозможно при помощи той же работы и энергии, с которыми процесс шел в прямом направлении.
I закон термодинамики:
- В любой изолированной системе сумма всех видов энергии постоянна.
- Разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах
- Вечный двигатель первого рода невозможен. Невозможно построить машину, которая давала бы механическую работу, не затрагивая на это соответствующего количества молекулярной энергии.
Первый закон термодинамики выражает неуничтожимость и эквивалентность различных форм энергии при различных переходах.
1 закон термодинамики представляет собой применение закона сохранения энергии к тепловым явлениям. Учитывая это можно его сформулировать в общем виде: Изменение внутренней энергии системы не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы .
Математически это означает, что внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. однозначные функции ряда переменных определяют это состояние.
Имеется система: газ, заключенный в поршневой цилиндр.
Эта система получает от нагревателя из окружающей среды определенное количество тепла. Часть подведенного тепла к системе будет затрачена на совершение работы против внешнего давления (работа расширения газа). При этом происходит увеличение объема газа. Оставшееся тепло будет затрачено на увеличение внутренней энергии системы – повышение температуры. При этом нив окружающей среде, ни в самой системе количество энергии не изменится.
Следовательно, сумма проведенной системой работы и прироста ее внутренней энергии должны быть равны количеству тепла, поступившего от нагревателя из окружающей среды:
Закон сохранения энергии выражает смысл первого начала термодинамики: Увеличение внутренней энергии системы равно сообщенному системе теплу минус работа, произведенная системой:
∆U = Q – A (2)
Формулы 1 и 2 – математические формулировки первого начала термодинамики.
Внутренняя энергия – это запас энергии системы, независимо от того, в каком состоянии она находится. Внутренняя энергия – общий запас энергии системы, которая складывается из энергии движения молекул, ядер и электронов в молекулах и атомах, энергии межмолекулярного взаимодействия. Из общего запаса энергии следует вычесть кинетическую энергию системы и потенциальную энергию ее положения. Для изолированной системы сумма всех видов энергии постоянная U = const. Обычно говорят об изменении внутренней энергии:
ΔU = U 2 – U 1
Изменение внутренней энергии системы может происходить:
1) в результате хаотического столкновения молекул двух соприкасающихся тел -мерой изменения энергии при этом является теплота
2) в результате совершения работы или самой системой или над системой: перемещение различных масс – поднятие тел в поле тяготения, переход электричеств от большего к меньшему потенциалу, расширение газа. Работа в этом случае также является мерой изменения энергии.
Следовательно, теплота –Q- и работа - A – количественно и качественно характеризуют формы передачи энергии (это меры энергии). U, A, Q – измеряются в одних и тех же единицах – кДж или кДж/моль.
Кроме внутренней существуют другие виды энергии: электромагнитная, электрическая, химическая, тепловая и т.д.
Другой вид энергии, который является также термодинамической функцией состояния–энтальпия –Н. Энтальпия - этомераэнергии,накапливаемая веществом при его образовании, это энергия расширенной системы, это теплосодержание системы . Математическое выражение для энтальпии:
Н = U + А
Т.е. энтальпия определяется внутренней энергией. Энтальпия и внутренняя энергия сильно отличаются друг от друга для газовых систем, но мало отличаются для конденсированных систем: жидких и твердых.
Поскольку энтальпия также является функцией состояния, т.е. всецело определяется начальным и конечным состоянием системы, то правильно говорить об изменении энтальпии системы:
ΔН = Н 2 – Н 1
ΔН = ΔU + А А = PΔV, где
P – давление; А – работа; ΔV – изменение объема.
PΔV – работа расширения
Энтальпия равна теплоте системы с обратным знаком.
Федеральное агентство по образованию
Ангарская государственная техническая академия
Кафедра химии
Курсовая работа
по дисциплине «Химия»
Тема:
Определение термодинамической возможности
протекания химических процессов в реакции:
Исполнитель: *********.
студентка группы ЭУПу-08-10
Руководитель:
доцент кафедры химии
Кузнецова Т.А.
Ангарск 2009
Задание к курсовой работе
1. Привести физико-химическую характеристику всех участников реакции и способов их получения.
4. Определить возможность протекания реакции H 2+ Cl 2=2 HCl при стандартных условиях и при температуре = 1000 К.
5. Используя метод Темкина-Шварцмана рассчитать при температуре = 1200, =1500. Построив зависимость графически определить температуру, при которой процесс возможен, как самопроизвольный в прямом направлении.
1. Теоретическая часть
1.1 Этанол и его свойства
Этанол – бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом.
Таблица 1. Физические свойства этанола
Смешивается с водой, эфиром, ацетоном и многими другими органическими растворителями; легко воспламеняется; с воздухом этанол образует взрывоопасные смеси (3,28-18,95% по объему). Этанол обладает всеми характерными для одноатомных спиртов химическими свойствами, например с щелочными и щелочноземельными металлами образует алкоголяты, с кислотами – сложные эфиры, при окислении этанола – ацетальдегид, при дегидратации – этилен и этиловый эфир. При хлорировании этанола образуется хлораль.
1.2 Способы получения этанола
Существует 2 основных способа получения этанола - микробиологический (брожение и гидролиз ) и синтетический:
Брожение
Известный с давних времён способ получения этанола - спиртовое брожение органических продуктов, содержащих сахар (свёкла и т. п.). Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, древесины и др. под действием фермента зимазы. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.
Промышленное производство спирта из биологического сырья
· Винокуренные заводы
· Гидролизное производство
Для гидролизного производства применяется сырьё, содержащее целлюлозу – древесина, солома.
· Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла
Гидратация этилена
В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена. Гидратацию можно вести по двум схемам:
· прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении 7 МПа, в качестве катализатора применяют ортофосфорную кислоту, нанесённую на силикагель, активированный уголь или асбест:
CH 2 =CH 2 + H 2 O → C 2 H 5 OH
· гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80-90 °С и давлении 3,5 МПа):
CH 2 =CH 2 + H 2 SO 4 → CH 3 -CH 2 -OSO 2 OH (этилсерная кислота)
CH 3 -CH 2 -OSO 2 OH + H 2 O → C 2 H 5 OH + H 2 SO 4
Эта реакция осложняется образованием диэтилового эфира.
Очистка этанола
Этанол, полученный путём гидратации этилена или брожением, представляет собой водно-спиртовую смесь, содержащую примеси. Для его промышленного, пищевого и фармакопейного применения необходима очистка. Фракционная перегонка позволяет получить этанол с концентрацией около 95.6 % об.; эта неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержит 4.4 % воды (вес.) и имеет температуру кипения 78.2 °C.
Перегонка освобождает этанол как от легколетучих, так и от тяжёлых фракций органических веществ (кубовый остаток).
Абсолютный спирт
Абсолютный спирт - этиловый спирт, практически не содержащий воды. Кипение при температуре 78,39 °C в то время как спирт спирт-ректификат, содержащий не менее 4,43 % воды кипит при температуре 78,15 °C. Получают перегонкой водного спирта, содержащего бензол, и другими способами.
1.3 Применение
Топливо
Этанол может использоваться как топливо (в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания).
Химическая промышленность
· Служит сырьём для получения многих химических веществ, таких, как ацетальдегид, диэтиловый эфир, тетраэтилсвинец, уксусная кислота, хлороформ, этилацетат, этилен и др.;
· Широко применяется как растворитель (в красочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях);
· Является компонентом антифриза.
Медицина
Этиловый спирт в первую очередь используется как антисептик
· как обеззараживающее и подсушивающее средств, наружно;
· растворитель для лекарственных средств, для приготовления настоек, экстрактов из растительного сырья и др.;
· консервант настоек и экстрактов (минимальная концентрация 18 %)
Парфюмерия и косметика
Является универсальным растворителем различных душистых веществ и основным компонентом духов, одеколонов и т. п. Входит в состав разнообразных лосьонов.
Пищевая промышленность
Наряду с водой, является необходимым компонентом спиртных напитков (водка, виски, джин и др.). Также в небольших количествах содержится в ряде напитков, получаемых брожением, но не причисляемых к алкогольным (кефир, квас, кумыс, безалкогольное пиво и др.). Содержание этанола в свежем кефире ничтожно (0,12 %), но в долго стоявшем, особенно в тёплом месте, может достичь 1 %. В кумысе содержится 1−3 % этанола (в крепком до 4,5 %), в квасе - от 0,6 до 2,2 %. Растворитель для пищевых ароматизаторов. Применяется как консервант для хлебобулочных изделий, а также в кондитерской промышленности
1.4 Этилен. Физические и химические свойства
По итогам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
При стандартной температуре = 298К, а также и при Т = 500К, реакция протекает с поглощением теплоты и носит название эндотермической реакции т.к.
При , 
При , 
Опираясь на полученные значения энтропии
При , 
При , 
видно, что:
Из чего следует, что при Т = 1000К система менее упорядочена (атомы и молекулы в веществе двигаются более хаотично), чем при Т = 298К.
Протекание реакции в прямом направлении при стандартной температуре = 298 К невозможно, реакция протекает в обратном направлении т.к. свободная энергия Гиббса
Реакция при температуре = 345 К и выше протекает в прямом направлении, что видно не только благодаря графику, но и подтверждается найденными значениями свободных энергий Гиббса:
1. Гаммет Л. «Основы физической органической химии» М.: Мир 1972г.
2. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х., «Органическая химия» М.: Мир 1979г.
3. Герасимов Я.И., Древинг В.П., Еремин Е.Н., Кисилев А.В., Лебедев «Курс физической химии» т.1 М.: Химия 1973г.
4. Драго Р. «Физические методы в химии» М.: Мир 1981г.
5. Глинка Н.Л. «Общая химия»
6. Кузнецова Т.А., Воропаева Т.К. «Методические указания к выполнению курсовой работы по химии для студентов специальности – Экономика и управление на предприятиях химической промышленности»
7. Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой – СПб.: «Иван Федоров», 2003.-240с., ил.
8. Интернет источники
| Величины Вещество |
|||||
Приложение 2
Одним из важнейших вопросов химии является вопрос о возможности протекания химической реакции. Количественным критерием принципиальной осуществимости химической реакции является, в частности, характеристическая функция состояния системы, называемая энергией Гиббса (G). Прежде чем перейти к рассмотрению этого критерия, остановимся на ряде определений.
Самопроизвольные процессы. Самопроизвольными называют процессы, происходящие без подвода энергии от внешнего источника. Многие химические процессы являются самопроизвольными, например растворение сахара в воде, окисление металлов на воздухе (коррозия) и др.
Обратимые и необратимые процессы. Многие химические реакции протекают в одном направлении до полного исчерпания реагирующих веществ. Такие реакции называются химически необратимыми . В качестве примера можно привести взаимодействие натрия и воды.
Другие реакции протекают вначале в прямом направлении, а затем в прямом и обратном благодаря взаимодействию продуктов реакции. В результате образуется смесь, содержащая одновременно исходные вещества и продукты реакции. Такие реакции называют химически обратимыми. В результате химически обратимого процесса наступает истинное (устойчивое) химическое равновесие , которое характеризуется следующими признаками:
1) в отсутствие внешних воздействий состояние системы остается неизменным неограниченно долго;
2) любое изменение внешних условий приводит к изменению состояния системы;
3) состояние равновесия не зависит от того, с какой стороны оно достигнуто.
В качестве примера системы, находящейся в состоянии истинного равновесия, можно привести эквимолекулярную смесь
СО (г) + Н 2 О (г) СО 2(г) + Н 2 (г) .
Любое изменение температуры или других условий вызывает смещение равновесия, т.е. изменение состава системы.
Кроме истинных равновесий очень часто встречаются кажущиеся (ложные, заторможенные) равновесия, когда состояние системы сохраняется во времени очень долго, но небольшое воздействие на систему может привести к сильному изменению ее состояния. Примером может быть смесь водорода и кислорода, которая при комнатной температуре в отсутствие внешних воздействий может оставаться неизменной неограниченно долго. Однако достаточно ввести в эту смесь платинированный асбест (катализатор), как начнется энергичная реакция
Н 2(г) + О 2(г) = Н 2 О (ж) ,
ведущая к полному исчерпанию исходных веществ.
Если ввести тот же катализатор при тех же условиях в жидкую воду, то получить исходную смесь невозможно.
Энтропия. Состояние любой системы может быть охарактеризовано значениями непосредственно измеряемых параметров (р, Т и др.). Это характеристика макросостояния системы. Состояние системы может быть описано также характеристиками каждой частицы системы (атома, молекулы): координатой, частотой колебания, частотой вращения и т.д. Это характеристика микросостояния системы. Системы состоят из очень большого числа частиц, поэтому одному макросостоянию будет отвечать огромное число различных микросостояний. Это число называется термодинамической вероятностью состояния и обозначается как W .
Термодинамическая вероятность связана с другим свойством вещества – энтропией (S, Дж/(моль. К)) – формулой Больцмана
где R − универсальная газовая постоянная, а N A – постоянная Авогадро.
Физический смысл энтропии может быть пояснен следующим мысленным экспериментом. Пусть идеальный кристалл какого-либо вещества, например хлорида натрия, охлажден до абсолютного нуля температуры. В этих условиях ионы натрия и хлора, составляющие кристалл, становятся практически неподвижными, и данное макроскопическое состояние характеризуется одним единственным микросостоянием, т.е. W=1, и в соответствии с (3.13) S=0. При повышении температуры ионы начнут колебаться около положений равновесия в кристаллической решетке, число микросостояний, соответствующих одному макросостоянию, возрастает, и, следовательно, S>0.
Таким образом, энтропия является мерой неупорядоченности состояния системы. Энтропия системы увеличивается во всех процессах, сопровождающихся уменьшением упорядоченности (нагревание, растворение, испарение, реакции разложения и т.п.). Процессы, идущие с увеличением упорядоченности (охлаждение, кристаллизация, сжатие и т.п.), приводят к уменьшению энтропии.
Энтропия является функцией состояния, но в отличие от большинства других термодинамических функций возможно экспериментальное определение абсолютного значения энтропии вещества. Эта возможность основана на постулате М. Планка, согласно которому при абсолютном нуле энтропия идеального кристалла равна нулю (третий закон термодинамики).
Температурная зависимость энтропии вещества представлена качественно на рис. 3.1.
На рис. 3.1 видно, что при температуре, равной 0 К, энтропия вещества равна нулю. При повышении температуры энтропия плавно увеличивается, а в точках фазовых переходов имеет место скачкообразное увеличение энтропии, определяемое соотношением
(3.14)
где Δ ф.п S, Δ ф.п Н и Т ф.п − изменения энтропии, энтальпии и температура фазового перехода соответственно.
Энтропию вещества B в стандартном состоянии обозначают как . Для многих веществ абсолютные значения стандартных энтропий определены и приводятся в справочных изданиях.
Энтропия, так же как внутренняя энергия и энтальпия, является функцией состояния, поэтому изменение энтропии системы в процессе не зависит от его пути и определяется только начальным и конечным состояниями системы. Изменение энтропии в ходе химической реакции (3.10) может быть найдено как разность суммы энтропий продуктов реакции и суммы энтропий исходных веществ:
Понятие энтропии используется в одной из формулировок второго закона термодинамики : в изолированных системах могут самопроизвольно протекать только процессы, идущие с увеличением энтропии (ΔS>0). Под изолированными системами понимаются системы, не обменивающиеся с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Системы, в которых протекают химические процессы, к изолированным системам не относятся, т.к. они обмениваются с окружающей средой энергией (тепловой эффект реакции) и в таких системах могут протекать процессы и с уменьшением энтропии.
SO 2(г) + 2H 2 S (г) = 3S (т) + 2Н 2 О (ж) , если стандартные энтропии оксида серы (IV), сероводорода, серы и воды составляют 248,1; 205,64; 31,88 и 69,96 Дж/(моль К) соответственно.
Решение. На основании уравнения (3.15) можно записать:
Энтропия в данной реакции уменьшается, что связано с образованием твердого и жидкого продуктов из газообразных веществ.
Пример 3.8. Не производя вычислений, определить знак изменения энтропии в следующих реакциях:
1) NH 4 NO 3(к) = N 2 O (г) + 2Н 2 О (г) ,
2) 2Н 2(г) + О 2(г) = 2Н 2 О (г) ,
3) 2Н 2(г) + О 2(г) = 2Н 2 О (ж) .
Решение. В реакции (1) 1 моль NH 4 NO 3 в кристаллическом состоянии образует 3 моль газов, следовательно, D r S 1 >0.
В реакциях (2) и (3) уменьшается как общее число молей, так и число молей газообразных веществ. Следовательно, D r S 2 <0 и D r S 3 <0. При этом уменьшение энтропии в реакции (3) больше, чем в реакции (2) , так как S о (H 2 O (ж)) < S о (H 2 O (г)).
Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал). Во многих случаях самопроизвольные процессы в природе протекают при наличии разности потенциалов, например, разность электрических потенциалов обусловливает перенос заряда, а разность гравитационных потенциалов – падение тела. Эти процессы заканчиваются при достижении минимума потенциала. Движущей силой химических процессов, протекающих при постоянных давлении и температуре, является изобарно-изотермический потенциал, называемый энергией Гиббса и обозначаемый G . Изменение энергии Гиббса в химическом процессе определяется соотношением
ΔG = ΔH –TΔS, (3.16)
где ΔG – изменение энергии Гиббса химического процесса; ΔH – изменение энтальпии химического процесса; ΔS – изменение энтропии химического процесса; Т – температура, К.
Уравнение (3.16) может быть представлено в следующем виде:
ΔH = ΔG + TΔS. (3.17)
Смысл уравнения (3.17) в том, что часть теплового эффекта реакции расходуется на совершение работы (ΔG), а часть рассеивается в окружающую среду (TΔS).
Энергия Гиббса является критерием принципиальной возможности самопроизвольного протекания реакции. Если в ходе реакции энергия Гиббса уменьшается, то процесс может протекать в данных условиях самопроизвольно:
ΔG < 0. (3.18)
Процесс в данных условиях неосуществим, если
ΔG > 0. (3.19)
Выражения (3.18) и (3.19) одновременно означают, что обратная реакция не может (3.18) или может (3.19) протекать самопроизвольно.
Реакция является обратимой, т.е. может протекать и в прямом, и в обратном направлениях, если
Уравнение (3.20) является термодинамическим условием химического равновесия.
Соотношения (3.18) –(3.20) применимы также к фазовым равновесиям, т.е. к случаям, когда в равновесии находятся две фазы (агрегатных состояния) одного и того же вещества, например лед и жидкая вода.
Энтальпийный и энтропийный факторы. Из уравнений (3.16) и (3.18) следует, что процессы могут протекать самопроизвольно (ΔG<0), если они сопровождаются уменьшением энтальпии (ΔH<0) и увеличением энтропии системы (ΔS>0). Если же энтальпия системы увеличивается (ΔH>0), а энтропия уменьшается (ΔS<0), то такой процесс протекать не может (ΔG>0). При иных знаках ΔS и ΔН принципиальная возможность протекания процесса определяется соотношением энтальпийного (ΔH) и энтропийного (ТΔS) факторов.
Если ΔН>0 и ΔS>0, т.е. энтальпийная составляющая противодействует, а энтропийная благоприятствует протеканию процесса, то реакция может протекать самопроизвольно за счет энтропийной составляющей, при условии, что |ΔH|<|TΔS|.
Если энтальпийная составляющая благоприятствует, а энтропийная противодействует протеканию процесса, то реакция может протекать самопроизвольно за счет энтальпийной составлящей, при условии, что |ΔH|>|TΔS|.
Влияние температуры на направление реакции. Температура влияет на энтальпийную и энтропийную составляющие энергии Гиббса, что может сопровождаться изменением знака энергии Гиббса этих реакций, а следовательно, и направления протекания реакций. Для ориентировочной оценки температуры, при которой происходит смена знака энергии Гиббса, можно пренебречь зависимостью ΔН и ΔS от температуры. Тогда из уравнения (3.16) следует, что изменение знака энергии Гиббса произойдет при температуре
Очевидно, что смена знака энергии Гиббса с изменением температуры возможна только в двух случаях: 1) ΔН>0 и ΔS>0 и 2) ΔН<0 и ΔS<0.
Стандартная энергия Гиббса образования – это изменение энергии Гиббса реакции образования 1 моль соединения из простых веществ, устойчивых при стандартных условиях. Энергия Гиббса образования простых веществ принимается равной нулю. Стандартные энергии Гиббса образования веществ можно найти в соответствующих справочниках.
Энергия Гиббса химической реакции. Энергия Гиббса является функцией состояния, т.е. ее изменение в процессе не зависит от пути его протекания, а определяется исходным и конечным состояниями системы. Следовательно, энергию Гиббса химической реакции (3.10) можно рассчитать по формуле
Отметим, что выводы о принципиальной возможности протекания реакции по величине Δ r G применимы только к тем условиям, для которых вычислено изменение энергии Гиббса реакции. Если условия отличаются от стандартных, то для нахождения Δ r G может быть использовано уравнение изотермы Вант-Гоффа , которое для реакции (3.10) между газами записывается как
(3.23)
а между растворенными веществами –
(3.24)
где – парциальные давления соответствующих веществ; с А, с В, с D , c E – концентрации соответствующих растворенных веществ; а, b, d, е – соответствующие стехиометрические коэффициенты.
Если реагирующие вещества находятся в стандартном состоянии, то уравнения (3.23) и (3.24) превращаются в уравнение
Пример 3.9. Установить возможность протекания реакции NH 3(г) + HCl (г) = NH 4 Cl (к) в стандартных условиях при температуре 298,15 К, используя данные по стандартным энтальпиям образования и энтропиям.
Решение. На основании первого следствия закона Гесса найдём стандартную энтальпию реакции:
; реакция экзотермическая, следовательно, энтальпийная составляющая благоприятствует протеканию реакции.
Изменение энтропии реакции рассчитаем по уравнению
Реакция сопровождается уменьшением энтропии, значит, энтропийная составляющая противодействует протеканию реакции.
Найдём изменение энергии Гиббса процесса по уравнению (3.16):
Таким образом, данная реакция может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.
Пример 3.10. Используя данные по стандартным энтальпиям образования и энтропиям, определить, при какой температуре наступит равновесие в системе N 2(г) + 3Н 2(г) = 2NH 3(г) .
Решение. Условием равновесия системы является ΔG=0. Для этого, используя соотношение (3.21), найдем температуру, при которой ΔG=0. Вычислим стандартные энтальпию и энтропию реакции:
Энтальпийная составляющая благоприятствует, а энтропийная противодействует протеканию реакции, значит, при некоторой температуре возможна смена знака энергии Гиббса, т.е изменение направления протекания реакции.
Условие равновесия запишется следующим образом:
ΔG = ΔH –TΔS,
или, подставляя численные значения, получим
0 = - 92,38 – Т(-198,3) 10 -3 .
Следовательно, реакция будет находиться в состоянии равновесия при температуре
К.
Ниже этой температуры реакция будет протекать в прямом направлении, а выше – в обратном.
Пример 3.11. При некоторой температуре Т эндотермическая реакция А® В практически идет до конца. Определить: а) знак D r S реакции; б) знак DG реакции В ® А при температуре Т; в) возможность протекания реакции В ® А при низких температурах.
Решение.
а) Самопроизвольное протекание реакции А ® В указывает, что DG<0. Поскольку DН>0, то из уравнения
DG = DH - TDS следует, что DS>0; для обратной реакции В ® А DS<0.
б) Для реакции А ® В DG<0. Следовательно, для обратной реакции при той же температуре DG>0.
в) Реакция А ® В эндотермическая (DH<0), следовательно, обратная реакция В ® А экзотермическая. При низких температурах абсолютная величина члена TDS мала, так что знак DG определяется знаком DН. Следовательно, при достаточно низких температурах протекание реакции В ® А возможно.
Пример 3.12. Рассчитать величину энергии Гиббса и определить, возможна ли реакция CO + Cl 2 ÛCOCl 2 при температуре 700 К, если константа равновесия реакции при этой температуре равна 10,83 атм -1 и парциальные давления всех компонентов одинаковы и равны единице.
Решение. Взаимосвязь D r G 0 и К р реакции А + В Û С + D дается уравнением изотермы (3.22)
При стандартных условиях, когда парциальное давление каждого реагирующего вещества равно 1 атм, это соотношение примет вид
Следовательно, реакция при Т=700 К может протекать в прямом направлении самопроизвольно.
Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки
1. Приведите численные значения давления и температуры в международной системе единиц, а также в атмосферах, миллиметрах ртутного столба и градусах Цельсия, соответствующие стандартным и нормальным условиям.
2. Какому условию удовлетворяют функции состояния? Что определяет изменение значения функции состояния в процессе?
3. Постоянством каких параметров характеризуются изобарно-изотермический и изохорно-изотермический процессы?
4. Сформулируйте первое начало термодинамики.
5. При каких условиях тепловой эффект процесса будет: а) равен изменению энтальпии этого процесса; б) равен изменению внутренней энергии процесса?
6. Химическая реакция протекает в герметичном реакторе. Изменением какой функции состояния будет определяться тепловой эффект реакции?
7. В ходе химической реакции температура системы повышается. Является этот процесс экзотермическим или эндотермическим? Какой знак (+) или (-) имеет изменение энтальпии этого процесса?
8. Сформулируйте закон Гесса.
9. Дайте определение понятия «стандартная энтальпия образования вещества».
10. Чему равны стандартные энтальпии образования молекулярного хлора и устойчивой при температуре 298 К модификации железа α-Fe?
11. Стандартная энтальпия образования белого фосфора равна нулю, а красного– (-18,41) кДж/моль. Какая из аллотропных модификаций более устойчива при температуре 25 о С?
12. Сформулируйте 1-е следствие закона Гесса.
13. Дайте определение понятия «стандартная энтальпия сгорания вещества».
14. Как связаны между собой стандартная энтальпия образования углекислого газа и стандартная энтальпия сгорания устойчивой при Т=298 К модификации углерода – графита?
15. Приведите 3 примера самопроизвольно протекающих химических процессов.
16. Перечислите признаки химического (истинного) равновесия.
17. Приведите примеры процессов, сопровождающихся: а) увеличением энтропии; б)уменьшением энтропии.
18. Какой знак должно иметь изменение энтропии самопроизвольно протекающей реакции, если Δ r Н=0?
19. Какой знак должно иметь изменение энтропии реакции термического разложения карбоната кальция? Почему? Напишите уравнение реакции.
20. Какие термодинамические свойства участников реакции необходимо знать для решения вопроса о возможности протекания реакции?
21. Экзотермическая реакция между газами сопровождается увеличением объёма. Что можно сказать о возможности протекания такой реакции?
22. В каком из следующих случаев возможна смена направления протекания реакция при изменении температуры: а)DH<0, DS<0; б) DH>0, DS>0; в) DН<0, DS>0; г) DH>0, DS<0?
23. Найдите стандартную энтальпию реакции окисления газообразного оксида серы(IV) кислородом до газообразного оксида серы(VI). Стандартные энтальпии образования SO 2 – (-297 кДж/моль) и SO 3 – (-395 кДж/моль).
Ответ: -196 кДж.
24. Укажите знак изменения энтропии в следующих реакциях:
а)СО (Г) +Н 2(Г) =С (Т) +Н 2 О (Г) ;
б) СО 2(Г) +С (Т) =2СО (Г) ;
в)FeO (Т) +СО (Г) =Fe (Т) +CO 2(Г) ;
г)Н 2 О (Ж) =Н 2 О (Г) ;
Ответ: а)(-); б)(+); в)(~0); г) (+);д)(-).
25. Найдите стандартную энтропию реакции окисления газообразного оксида серы(IV) кислородом до газообразного оксида серы(VI). Стандартные энтропии образования SO 2 – (248 Дж/(моль К), SO 3 – (256 Дж/(моль К)), О 2 – (205 Дж/(моль К).
Ответ: -189 Дж/К.
26. Найдите энтальпию реакции синтеза бензола из ацетилена, если энтальпия сгорания бензола составляет (-3302 кДж/моль), а ацетилена – (-1300 кДж/моль).
Ответ: - 598 кДж.
27. Найдите стандартную энергию Гиббса реакции разложения гидрокарбоната натрия. Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при этих условиях?
Ответ: 30,88 кДж.
28. Найдите стандартную энергию Гиббса реакции 2Fe (Т) +3Н 2 О (Г) =Fe 2 O 3(Т) +3Н 2(Г) (реакции коррозии углеродистой стали водяным паром). Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при этих условиях?
Ответ: -54,45кДж.
29. При какой температуре наступит химическое равновесие в системе 2NO (г) + О 2(г) Û 2NО 2 (г) ?
Ответ: 777 К.
30. Найдите тепловой эффект процесса испарения 1 г воды (удельная теплота испарения) при температуре 298 К, если стандартная энтальпия образования Н 2 О (ж) составляет (-285,84 кДж/моль),а газообразной– (-241,84 кДж/моль).
Ответ: 2,44 кДж/г.
3.4.Задания для текущих и промежуточных контролей
Раздел I
1. Процесс образования диоксида углерода при сжигании графита в кислороде может протекать двумя путями:
I. 2C (гр) +О 2(г) = 2СО (г) ; 2CO (г) + О 2 = 2СО 2(г) , D r Н° = -566 кДж.
II. C (гр) + О 2(г) = СО 2(г) , D r Н° = -393 кДж.
Найдите D f H°(CO).
Ответ: -110 кДж/моль.
2. Рассчитайте энтальпию образования и энтальпию сгорания монооксида углерода (СО), исходя из приведенных ниже реакций:
I. 2С (гр) + О 2(г) = 2СО (г) , D r Н° = -220 кДж.
II. 2СО (г) + О 2(г) = 2СО 2(г) , D r Н° = -566 кДж.
Ответ: -110 кДж/моль; -283 кДж/моль.
3. Найдите стандартную энтальпию образования сульфита натрия из термохимического уравнения
4Na 2 SO 3(кр) = 3Na 2 SO 3(кр) + Na 2 S (кр) – 181,1 кДж,
если 
кДж/моль и 
кДж/моль.
Ответ: -1090 кДж/моль.
4. Найдите стандартную энтальпию сгорания метана, исходя из реакции СН 4(г) + 2О 2(г) = СО 2(г) + 2Н 2 О (г) , D r Н°= -802 кДж.
Ответ: -802 кДж/моль.
5. Предскажите, положительным или отрицательным будет
изменение энтропии системы в реакциях:
а) Н 2 О (ж) ® Н 2 О (г) (при температуре 25 °С);
б) СаСО 3(т) ® СаО (т) + СО 2(г) ;
в) N 2(г) + 3Н 2(г) = 2NH 3(г) ;
г) N 2(г) + О 2(г) = 2NO (г) ;
д) Ag + (р-р) + Cl - (р-р) = AgCl (т) .
Дайте объяснения, не производя расчетов.
Ответ: а) +; б) +; в) -; г) ~0; д) -.
6. Предскажите знак DS системы в каждом из следующих
процессов:
а) испарение 1 моль CCl 4(ж) ;
б) Br 2(г) → Br 2(ж) ;
в) осаждение AgCl(т) при смешении NaCl(водн.) и AgNO 3 (водн.).
Дайте объяснения.
Ответ: а) +; б) -; в)-.
7. Пользуясь табличными значениями абсолютных значений энтропий веществ при стандартных условиях (S°), сравните значения абсолютных энтропий веществ при температуре 298 К в каждой из перечисленных ниже пар:
а) О 2(г) и О 3(г) ;
б) С(алмаз) и С(графит);
в) NaCl (т) и MgCl 2(т) .
Объясните причину различия S° в каждом случае.
8. Вычислите D r S° для реакций
а) N 2(г) + 3Н 2(г) = 2NH 3(г) ; б) 2SO 2(г) + О 2(г) = 2SO 3(г) ,
используя табличные значения абсолютных энтропий веществ при стандартных условиях.
Ответ: а) -197,74 Дж/К; б) -188,06 Дж/К.
9. Пользуясь табличными значениями абсолютных эн-
тропий (S°), вычислите D r S° для следующих процессов:
а) СО (г) + 2Н 2(г) = СН 3 ОН (г) ;
б) 2НСl (г) + Br 2(ж) = 2HBr (г) + Cl 2(г) ;
в) 2NO 2(г) = N 2 O 4(г) .
Согласуется ли в каждом случае знак величины D r S° с тем, который следует ожидать на основе качественных представлений? Ответы объясните.
Ответ: а) -218,83 Дж/К; б) 94,15 Дж/К; в) -175,77 Дж/К.
10. Стандартная энтальпия образования СО (г) составляет -110,5 кДж/моль. При сгорании 2 моль СО (г) выделилось 566 кДж теплоты. Вычислите
Ответ: -393,5 кДж/моль.
11. Определите количество теплоты, выделяющееся при гашении 100 кг извести водой: CaO (к) + H 2 O (ж) = Ca(OH) 2(к) , если стандартные теплоты образования CaO (к) , H 2 O (ж) , Ca(OH) 2(к) равны соответственно -635,14; -285,84; -986,2 кДж/моль.
Ответ: -1165357,2 кДж.
12. Определите энтальпию разложения пероксида водорода (Н 2 О 2) на воду и кислород, используя нижеприведенные данные:
SnCl 2(р) + 2НCl (p) + H 2 O 2(p) = SnCl 4(p) + 2H 2 O (ж) , D r Н°=-393,3 кДж;
SnCl 2(р) + 2HCl (p) + 1/2O 2(г) = SnCl 4(p) + H 2 O (ж) , D r Н°=-296,6 кДж.
Ответ: - 96,7 кДж.
13. Вычислите количество теплоты, которое выделяется при производстве 10 6 кг аммиака в сутки, если
Ответ: -2,7 . 10 9 кДж.
14. Определите , исходя из следующих данных:
Р 4(кр) + 6Cl 2(г) = 4РСl 3(ж) , D r Н° = -1272,0 кДж;
PCl 3(ж) + Cl 2(г) = PCl 5(кр) , D r Н° = -137,2 кДж.
Ответ: -455,2 кДж/моль.
15. Вычислите изменение энтальпии реакции при стандартных условиях: Н 2(г) + 1/3О 3(г) = Н 2 О (г) , исходя из следующих данных:
2О 3 (г)=3О 2 (г), D r Н°=-288,9 кДж,
кДж/моль.
Ответ: -289,95 кДж.
16. Рассчитайте стандартную энтальпию реакции образования PbO, используя следующие данные:
1) 2Pb (кр) +О 2(г) =2PbO 2(кр) – 553,2 кДж;
2) 2PbO 2(кр) = 2PbO (кр)) +О 2(г) + 117,48 кДж.
Ответ: -217,86 кДж/моль.
17. Рассчитайте стандартную энтальпию реакции образования CuCl, используя следующие данные:
1) CuCl 2(кр) +Cu (кр) =2 CuCl (кр) – 63,5 кДж;
2) Cu (кр) + Cl 2(г) = CuCl 2(кр) – 205,9 кДж.
Ответ: 134,7 кДж/моль.
18. Вычислите Δ f H° метилового спирта в жидком состоянии, зная следующие данные:
Н 2(г) + 1/2О 2(г) = Н 2 О (ж) , D r Н° = -285,8 кДж;
С (гр) + О 2(г) = СО 2(г) , D r Н° = -393,7 кДж;
СН 3 ОН (ж) + 3/2О 2(г) = СО 2(г) + 2Н 2 О (ж) , D r Н° = -715,0 кДж.
Ответ: -250,3 кДж/моль.
19. Стандартные энтальпии сгорания бензола и ацетилена равны соответственно -3270 и -1302 кДж/моль. Определите D r H° превращения ацетилена в бензол: 3С 2 Н 2(г) = С 6 Н 6(г) .
Ответ: -636 кДж.
20. Определите стандартную энтальпию образования оксида железа (III), если при окислении 20 г железа выделилось 146,8 кДж теплоты.
Ответ: -822 кДж/моль.
21. Вычислите количество теплоты, которое выделяется при получении 22,4 л аммиака (н.у.), если
N 2(г) + 3Н 2(г) = 2NH 3(г) , D r Н° = -92 кДж.
Ответ: -46 кДж.
22. Определите Δ f H° этилена, используя следующие дан
С 2 Н 4(г) + 3О 2(г) = 2СО 2(г) + 2Н 2 О (г) -1323 кДж;
С (гр) + О 2(г) = СО 2(г) -393,7 кДж;
Н 2(г) +1/2О 2(г) =Н 2 О (г) -241,8 кДж.
Ответ: 52 кДж/моль.
23.Рассчитайте энтальпию реакции F (г) +Li (г) =F - (г) + Li + (г) ,
если F (г) + е = F - (г) -322 кДж/моль;
Li (г) = Li + (г) + е +520 кДж/моль.
Ответ: 198 кДж.
24. Рассчитайте стандартную энтальпию реакции образования Hg 2 Br 2 , используя следующие данные:
1) HgBr 2(кр) + Hg (ж) = Hg 2 Br 2 (кр) – 37,32 кДж;
2) HgBr 2 (кр) = Hg (ж) + Br 2(ж) +169,45 кДж.
Ответ: -206,77 кДж/моль.
25. Рассчитайте стандартную энтальпию реакции образования гидрокарбоната натрия, используя следующие данные:
2NaНСO 3(кр) = Na 2 СO 3(кр) + СО 2(г) +Н 2 О (г) + 130,3 кДж,
если 
кДж/моль;
С (гр) +О 2(г) =СО 2(г) – 393,7 кДж; Н 2(г) +1/2О 2(г) =Н 2 О (г) -241,8 кДж.
Ответ: -947,4 кДж/моль.
26. Рассчитайте стандартную энтальпию реакции образования СaСO 3(кр) , используя следующие данные:
Ca(OH) 2(к) + СО 2(г) = СaСO 3(кр) +173,9 кДж;
С (гр) +О 2(г) =СО 2(г) – 393,7 кДж;
кДж/моль.
Ответ: -1206 кДж/моль.
27. Определите стандартную энтальпию образования оксида железа (III), если при реакции
2Fe + Al 2 O 3 = Fe 2 O 3 + 2Al
на каждые 80 г Fe 2 O 3 поглощается 426,5 кДж теплоты, 
кДж/моль.
Ответ: -823 кДж/моль.
28. Какое количество теплоты необходимо затратить для получения 11,2 кг железа, если в соответствии с термохимическим уравнением FeO (т) + Н 2(г) = Fe (т) + Н 2 О (г) + 23 кДж.
Ответ: 4600 кДж.
29. Найдите теплоту сгорания алмаза, если стандартная теплота сгорания графита составляет -393,51 кДж/моль, а тепло-
та фазового перехода С(графит) ® С(алмаз) составляет
1,88 кДж/моль.
Ответ: -395,39 кДж/моль.
30. Какое количество теплоты выделяется при превращении 1 кг красного фосфора в черный фосфор, если известно,
что стандартные энтальпии образования красного и чёрного фосфора составляют -18,41 и -43,20 кДж/моль соответственно.
Ответ: -800 кДж.
Раздел II
Вычислите стандартное изменения энергии Гиббса химической реакции при температуре 25 °С по значениям стандартных энтальпий образования и абсолютных энтропий химических соединений и установите возможность самопроизвольного протекания реакции:
1. 4NH 3г + 5O 2г = 4NO г + 6H 2 O г.
Ответ: -955,24 кДж; реакция возможна.
2. SO 2г + 2H 2 S г = 3S к + 2H 2 O ж.
Ответ: -107,25 кДж; реакция возможна.
3. 2H 2 S г + 3O 2г = 2H 2 O г + 2SO 2г.
Ответ: -990,48 кДж; реакция возможна.
4. 2NO г + O 3г + H 2 O ж = 2HNO 3ж.
Ответ: - 260,94 кДж; реакция возможна.
5. 3Fe 2 O 3к + CO г = 2Fe 3 O 4к + CO 2г.
Ответ: - 64,51 кДж; реакция возможна.
6. 2СН 3 ОН ж + 3О 2г = 4Н 2 О г + 2СО 2г.
Ответ: - 1370,46 кДж; реакция возможна.
7. СН 4г + 3СО 2г = 4СО г + 2Н 2 О г.
Ответ: 228,13 кДж; реакция невозможна.
8. Fe 2 O 3к + 3CO г = 2Fe к + 3CO 2г.
Ответ: -31,3 кДж; реакция возможна.
9. С 2 Н 4г + 3О 2г = 2СО 2г + 2Н 2 О г.
Ответ: -1313,9 кДж; реакция возможна.
10. 4NH 3г + 3O 2г = 6H 2 O г + 2N 2г.
Ответ: -1305,69 кДж; реакция возможна.
11. 4NO 2г + O 2г + 2H 2 O ж = 4HNO 3ж.
Ответ: -55,08 кДж; реакция возможна.
12. 2HNO 3ж + NO г = 3NO 2г + H 2 O ж.
Ответ: -7,71 кДж; реакция возможна.
13. 2С 2 Н 2г + 5О 2г = 4СО 2г + 2Н 2 О г.
Ответ: -2452,81 кДж; реакция возможна.
14. Fe 3 O 4к + 4H 2г = 3Fe к + 4H 2 O г.
Ответ: 99,7 кДж; реакция невозможна.
15. 2Fe 2 O 3к + 3C к = 4Fe к + 3СО 2г.
Ответ: 297,7 кДж; реакция невозможна.
16. Fe 3 O 4к + 4CO г = 3Fe к + 4CO 2г.
Ответ: -14,88 кДж; реакция возможна.
17. 2H 2 S г + O 2г = 2H 2 O ж + 2S к.
Ответ: -407,4 кДж; реакция возможна.
18. Fe 2 O 3к + 3H 2г = 2Fe к + 3H 2 O г.
Ответ: 54,47 кДж; реакция невозможна.
Вычислите стандартное изменение энергии Гиббса химической реакции при температуре 25 °С по значениям стандартных энтальпий образования и абсолютных энтропий химических соединений и определите, при какой температуре наступит равновесие в системе.
19. 4HCl г + O 2г ↔ 2Cl 2г + 2H 2 O ж.
Ответ: -93,1 кДж; ~552 К.
20. Cl 2г + 2HI г ↔ I 2к + 2HCl г.
Ответ: -194,0 кДж; ~1632 К.
21. SO 2г + 2CO г ↔ 2CO 2г + S к.
Ответ: -214,24 кДж; ~1462 К.
22. СН 4г + 2Н 2 О г ↔ СО 2г + 4Н 2г.
Ответ: 113,8 кДж; ~959 К.
23. СО г + 3Н 2г ↔ СН 4г + Н 2 О г.
Ответ: -142,36 кДж; ~ 963 К.
Вычислите изменение энергии Гиббса химической реакции при температуре 350 °С по значениям стандартных энтальпий образования и абсолютных энтропий химических соединений. Температурной зависимостью D f H° и S° пренебречь. Установите возможность самопроизвольного протекания реакций:
24. 2РН 3г + 4О 2г = Р 2 О 5к + 3Н 2 О г.
Ответ: 1910,47 кДж; реакция возможна.
25. Cl 2 г + SO 2 г + 2H 2 O ж = H 2 SO 4 ж + 2HCl г.
Ответ: -80,0 кДж; реакция возможна.
26. Р 2 О 5к + 5С к = 2Р к + 5СО г.
Ответ: 860,0 кДж; реакция невозможна.
27. 2CO г + SO 2г = S к + 2CO 2г.
Ответ: -154,4 кДж; реакция возможна.
28. СО 2г + 4Н 2г = СН 4г + 2Н 2 О г.
Ответ: -57,9 кДж; реакция возможна.
29. NO г + O 3г = O 2г + NO 2г.
Ответ: -196,83 кДж; реакция возможна.
30. СН 4г + 2О 2г = СО 2г + 2Н 2 О г.
Ответ: -798,8 кДж; реакция возможна.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Термодинамика - это наука, изучающая явления, которые сопровождаются взаимными превращениями теплоты и работы.
Термодинамика является макроскопической теорией.
Химическая термодинамики использует термодинамические методы для решения задач химии, например, исследования теории разных видов химических и фазовых равновесий и свойств веществ в растворах.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Химическая термодинамика - это наука которая применяет общие термодинамические соотношения к явлениям, в которых процессы обмена энергией сопровождаются изменениями химического состава вступающих в химическую реакцию тел.
Основной физической величиной, которая подлежит рассмотрению в термодинамике, является энергия. Основным законом термодинамики является вариация закона сохранения энергии. Спецификой макроскопических систем, рассматриваемых в термодинамике, является то, нельзя провести непосредственное измерение энергии макроскопической системы. Разные методы в физике дают возможность определить изменение энергии отдельных частиц системы (атомов, молекул, ионов). Не существует способов прямого измерения энергии как единого целого. Изменение энергии макросистемы определяют как теплоту или работу. Существование внутренней энергии макросистемы (), как физической величины было установлено в середине XIX века, после открытия первого начала термодинамики. Позднее появилась необходимость применять и другие, не измеряемые величины такие как: энтропия, энтальпия, химический потенциал и т.п. Каждая подобная величина определена как функция измеряемых величин, поэтому все выводы термодинамики можно проверить экспериментально.
Для описания свойств систем в термодинамике используют термодинамические переменные, которые называют термодинамическими параметрами. Термодинамические параметры — это физические величины, используя которые описывают явления, которые связаны с превращениями теплоты и работы. Термодинамические параметры являются макроскопическими величинами, отражающими свойства больших совокупностей молекул.
На основе первого начала термодинамики составляют уравнения теплового баланса. Второе и третье начала термодинамики служат для анализа фазового и химического равновесия.
Задачи химической термодинамики
Исследование законов химического и физического равновесия дают возможность решать следующие основные задачи:
- Определение условий реализации химических процессов. Вычисление тепловых эффектор химических реакций.
- Поиск пределов устойчивости исследуемых веществ при заданных условиях.
- Ликвидация (избегание) побочных реакций.
- Избрание оптимального режима проведения процесса.
Основные законы химической термодинамики
Первый закон термодинамики, которой отображает обмен энергией между системой и окружающей средой в форме работы и теплоты. Это одни из видов законов сохранения энергии. Формулировок первого начала термодинамики несколько, запишем один из них для закрытой системы:
где - количество теплоты, подведенное к системе; - работа системы; - изменение внутренней энергии системы.
Энтальпией () называют термодинамическую функцию, которая характеризует энергетическое состояние системы в изобарно — изотермических условиях (то есть при ). Энтальпия отражает тепловые изменения в системе, а теплота в окружающей среде. Количество теплоты, которое поглощается или выделяется в ходе химической реакции при равно изменению энтальпии системы (энтальпия реакции).
Закон Гесса для химических реакций говорит о том, что: величина теплового эффекта изобарных или изохорных процессов зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от хода процесса.
Закон Гесса применяют для вычисления тепловых эффектов химических реакций.
Закон Гесса имеет полезные следствия:
- Энтальпия химической реакции при стандартных условиях равна разности алгебраической суммы энтальпий возникновения продуктов реакции, и суммы энтальпий образования исходных веществ.
- Теплота, которая выделяется при горении вещества в кислороде в количестве 1 моль до образования высших оксидов при стандартных условиях, называется стандартной теплотой сгорания вещества. Энтальпия реакции горения равна разности суммы энтальпий (с учетом знаков) сгорания исходных веществ и суммы энтальпий горения продуктов реакции при учете их стехиометрических коэффициентов. По закону Гесса количество выделяемой теплоты при окислении не зависит от того как и где происходит процесс горения, если продукты реакции не изменяются.
- При разложении вещества расходуется (требуется) такое же по модулю количество теплоты как при образовании данного вещества. Это закон Лавуазье - Лапласа.
- Если повести две реакции, которые приводят из разных начальных состояний к одним конечным состояниям, то разница в тепловых эффектах составит количество теплоты перехода из первого начального состояния во второе.
- При проведении двух реакций из одних начальных состояний в различные конечные состояния разница в тепловых эффектах составит тепловой эффект перехода от первого конечного состояния во второе.
Второй закон термодинамики говорит о направлении протекания процессов. Все самопроизвольные процессы происходят так, что система стремится к минимуму энергии, при этом энтропия системы увеличивается.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Каково затраченное количество теплоты в процессе, изображенном на рис.1? Процесс проводят с 1 молем азота. Масса газа в процессе не изменяется.
|
| Решение | Будем считать, что азот является идеальным газом. Тогда уравнение его состояния можно записать как уравнение Менделеева - Клапейрона:
где — универсальная газовая постоянная; - давление газа; - объем газа; — температура газа. На рис. 1 изображен изобарический процесс. Для этого процесса запишем первое начало термодинамики в интегральном виде: где изменение внутренней энергии газа можно найти как: Работа при изобарном процессе в идеальном газе может быть найдена как: Из уравнения (1.1) и того, что , имеем: Используя (1.2),(1.3) и (1.5) получаем: |
| Ответ | Дж |
ПРИМЕР 2
| Задание | Вычислите изменение энтальпии () для химической реакции: , используя стандартные теплоты образования веществ. Каков тип реакции? |
| Решение | Отметим, что индекс 0 обозначает стандартное давление равное одной атмосфере; 298 - это температура , которая считается стандартной температурой протекания химических реакций.
Из справочных материалов возьмем значения стандартных энтальпий образования веществ при температуре : |
