Література для підготовки теоретичного матеріалу

Опрацювати розділи 5, 6, 7 підручника [6] та 2 посібника [3].

План вивчення розділу

1 Загальні поняття хімічної термодинаміки.

2 Термодинамічні функції. Закони термодинаміки.

3 Закон Гесса. Термохімічні рівняння.

4 Напрямок перебігу хімічних реакцій.

5 Основні поняття хімічної кінетики.

6 Швидкість хімічної реакції і чинники, що впливають на неї:

6.1 природа реагентів;

6.2 концентрація реагентів(тиск для реакцій у газовому стані);

6.3 температура;

6.4 каталізатор;

6.5 площа поверхні зіткнення (для гетерогенних

реакцій).

7 Хімічна рівновага, умови її зміщення.

8 Приклади розв’язання типових задач і виконання завдань.

9 Завдання для самоперевірки.

Приклади розв’язання типових задач і виконання завдань

Приклад 1 Обчислити ентальпію конденсації водяної пари. Чи виділяється при цьому теплота?

Розв’язання. Під час конденсації водяної пари відбувається фазове перетворення газуватої води у рідку, тому можна записати термохімічне рівняння у вигляді

Взявши до уваги наслідок закону Гесса і використавши табличні дані ентальпій утворення рідкої та газуватої води (додаток Б), отримуємо такий вираз:

Оскільки , то процес конденсації водяної пари є ендотермічним, теплота поглинається.

Приклад 2 На підставі стандартних ентальпій утворення і абсолютних ентропій утворення речовин (додаток Б) визначте: а) , і хімічної реакції. Зробіть висновок щодо термодинамічної ймовірності перебігу реакції за стандартних умов; б) температуру рівноваги реакції (впливом температури на і реакції знехтувати); В інтервал температур, в якому перебіг даної реакції термодинамічно ймовірний. Розрахунки провести за наведеним рівнянням хімічної реакції:

.

Розв’язання. Спочатку виписуємо довідникові значення стандартних ентальпій утворення і абсолютних ентропій утворення взаємодіючих речовин:

	-813,99	0	-241,81	-296,9
	156,90	31,92	188,72	248,07

а) на підставі наслідку закону Гесса розраховуємо тепловий ефект хімічної реакції:

Оскільки ентропія є функцією стану, то її змінення внаслідок реакції визначається різницею між сумами ентропій утворення продуктів реакції та сумами ентропій утворення реагентів з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів. Розраховуємо хімічної реакції:

Змінення енергії Гіббса хімічної реакції є критерієм можливості самочинного перебігу процесу і тому визначається різницею між тепловим ефектом реакції ( ) та зв’язаною енергією .

Розраховуємо хімічної реакції, використовуючи отримані значення: та за формулою (під час цього розрахунку приведемо у відповідність розмірність вимірювання всіх термодинамічних функцій):

Від’ємне значення енергії Гіббса ( ) свідчить про термодинамічну можливість самочинного перебігу прямої реакції за стандартних умов.

б) у стані рівноваги

(або ),

звідки температура рівноваги

в) термодинамічно можливим є самочинний перебіг реакції при температурах, для яких . Для екзотермічних реакцій ( ), що супроводжуються зменшенням ентропії ( ), умова виконується при Отже, при можливий самочинний перебіг реакції.

Приклад 3 Тепловий ефект реакції горіння моля рідкого бензену з утворенням вуглекислого газу і водяної пари дорівнює –3135,58 кДж. Написати термохімічне рівняння і обчислити ентальпію утворення .

Розв’язання. Термохімічне рівняння має вигляд

Згідно із законом Гесса тепловий ефект цієї реакції

.

Користуючись довідковими даними щодо ентальпій утворення відповідних речовин, одержимо

Приклад 4 Визначити кількість теплоти, що поглинається при утворенні 11,2л за стандартних умов, якщо реакція проходить відповідно до термохімічного рівняння

Розв’язання. Визначимо кількість моль газу в 11,2л :

З термохімічного рівняння видно, що

при утворенні 2 моль поглинається 182,52 кДж;

при утворенні 0,5 моль поглинається х кДж.

З пропорції випливає:

Приклад 5 Скласти термохімічне рівняння реакції згоряння етанолу , якщо при спалюванні 4,6г виділяється 136,7 кДж тепла.

Розв’язання. Згоряння етанолу відбувається за рівнянням

Визначимо кількість речовини

Складемо пропорцію.

при згорянні 1 моль виділяється х кДж;

при згорянні 0,1 моль виділяється 136,7 кДж.

Термохімічне рівняння реакції має такий вигляд:

Приклад 6 Визначити інтервал температур, за яких реакція відбувається у прямому напрямку, а за яких – у зворотному.

Розв’язання. На основі довідкових даних щодо ентальпій та ентропій утворення відповідних речовин (додаток Б) обчислимо тепловий ефект реакції та змінення ентропії.

Згідно із законом Гесса тепловий ефект реакції дорівнює

Оскільки ентропія є функцією стану, її змінення внаслідок хімічної реакції дорівнює

За стандартних умов ( ) енергія Гіббса

, тому за стандартних умов самочинно відбувається пряма реакція.

Для визначення рівноважної температури, при якій відбувається змінювання знака енергії Гіббса, скористуємося умовою

Отже, при температурах, нижче K, самочинно буде відбуватися пряма реакція, а вище K – зворотна.

Приклад 7 Визначити, як зміниться швидкість прямої та зворотної реакцій , якщо загальний тиск у системі збільшити у 4 рази?

Розв’язання. Збільшення тиску у 4 рази призводить до зменшення об’єму системи в 4 рази, і як наслідок, відбувається збільшення концентрації реагуючих речовин у 4рази. За законом діючих мас швидкість прямої характеризується виразом

а після збільшення тиску

.

Швидкість зворотної реакції характеризується виразом

,

а після збільшення тиску

.

Розрахунки доводять, що при зростанні тиску у 4 рази швидкість прямої реакції збільшилася у 64, а швидкість зворотної – у 16 разів.

Приклад 8 Температурний коефіцієнт реакції дорівнює 3. Як зміниться швидкість реакції при зниженні температури на 40⁰?

Розв’язання. Перетворимо рівняння Вант-Гоффа, розділивши ліву і праву частини на , і підставимо дані, вважаючи, що (оскільки температура знижується):

Розв'язок показує, що швидкість реакції зменшиться у 81 раз.

Приклад 9 Складіть вираз константи рівноваги таких оборотних процесів:

а) ;

б)

(воду взято у значному надлишку).

Розв’язання. У вираз константи рівноваги так само, як і у вираз швидкості реакції, не входять концентрації речовин, що утворюють конденсовані фази або наявні у значному надлишку, тому константи рівноваги мають такі вирази:

а) ; б) .

Приклад 10 У який бік зміститься рівновага реакцій:

1

2

а) при підвищенні температури; б) при зниженні тиску?

Розв’язання: 1 а) У рівноважній системі

пряма реакція є ендотермічною, тому згідно з принципом Ле-Шательє при підвищенні температури рівновага зміститься у бік прямої реакції (ендотермічної);

б) при зниженні тиску рівновага в наведеній гетерогенній системі зміститься у бік прямої реакції, тобто в бік утворення більшої кількості газоподібних речовин.

2 а) У рівноважній системі

пряма реакція, навпаки, екзотермічна, тому при підвищенні температури рівновага зміститься у бік зворотної реакції (ендотермічної);

б) при зниженні тиску рівновага зміститься у бік зворотної реакції (у бік утворення більшої кількості газоподібних речовин).

Приклад 11 Під час синтезу амоніаку рівновага встановилася при таких концентраціях (моль/л) речовин: , , . Розрахуйте константу рівноваги та вихідні концентрації азоту і водню.

Розв’язання. Відповідно до коефіцієнтів у рівнянні хімічної реакції встановлюємо кількісні відношення речовин:

Із зіставлення коефіцієнтів випливає, що для утворення амоніаку необхідно, щоб азоту прореагувало вдвічі менше, тобто , а водню – у 1,5 раза більше: . Після встановлення кількості реагуючих речовин можна визначити вихідні концентрації реагентів як суму рівноважних і «витрачених внаслідок реакції» концентрацій:

Для зручності під час розв’язання таких задач доцільно використовувати таблицю, в якій спочатку зазначити дані умови задачі, а потім зазначити отримані:

Рівняння реакції
Вихідні концентрації	4,3		7,2		0
Прореагувало	1,8		5,4		-
Рівноважні концентрації	2,5		1,8		3,6

Константу рівноваги обчислюємо за формулою

.

Приклад 12 При деякій температурі константа швидкості реакції дорівнює 0,16, а вихідні концентрації (моль/л): ; . Обчислити початкову швидкість реакції. Як зміниться швидкість реакції, коли концентрація водню зменшиться до 0,03 моль/л?

Розв’язання. Відповідно до закону діючих мас початкова швидкість реакції дорівнює

До певного часу прореагувало водню

Зіставляючи коефіцієнти у рівнянні реакції, робимо висновок, що і йоду прореагувала така ж кількість, тому його концентрація набула значення

При цьому швидкість реакції стала такою:

Порівняно із початковою швидкість реакції зменшиться у

Приклад 13. Обчислити рівноважні концентрації речовин у системі при 1023 К, якщо константа рівноваги , а початкові концентрації

Розв’язання. Оскільки початкові концентрації продуктів не зазначені, то вважаємо, що вони дорівнювали нулю:

; .

Припустимо, що концентрація у ході реакції збільшилася на х моль/л, тоді рівноважна концентрація . За рівнянням реакції видно, що на стільки ж збільшилася концентрація водню і зменшилися концентрації вихідних речовин, тобто

і .

Підставимо рівноважні концентрації у рівняння закону діючих мас:

Звідки

Отже, рівноважні концентрації речовин у системі є такими:

; ;

;

Завдання для самоперевірки

Завдання № 1-20 мають чотири варіанти відповіді, з яких тільки одна правильна.

1 Яким терміном позначається сукупність взаємодіючих речовин, що фактично чи уявно відокремлені від оточуючого середовища:

А фаза; Б система; В асоціат; Г реакційне середовище?

2 Як називається термодинамічна система, яка обмінюється з навколишнім середовищем тільки енергією (наприклад, у вигляді теплоти):

А закрита; Б гетерогенна; В ізольована; Г відкрита?

3 Вставте пропущене слово у визначенні: «Фаза – це гомогенна частина системи, що характеризується однаковими фізичними і хімічними властивостями та складом і відокремлюється від інших частин системи поверхнею розділу, при переході через який відбувається ... (яке?) змінювання властивостей»:

А поступове; Б монотонне;

В непомітне; Г стрибкоподібне.

4 Основною ознакою термодинамічних функцій є:

А поступове збільшення їх значень при підвищенні температури;

Б їх змінення не залежать від шляху (способу) переходу системи з початкового у кінцевий стан;

В їх значення не залежать від агрегатного стану речовини; Г їх обчислюють при .

5 Яке значення має змінення ентальпії при ендотермічних реакціях:

А ; Б ; В ; Г ?

6 Яка термодинамічна функція вимірюється у Дж/моль^.К:

А внутрішня енергія; Б ентальпія;

В ентропія; Г енергія Гіббса?

7 Змінення якої термодинамічної функції є вичерпним критерієм, що доводить можливість самочинного перебігу процесу:

А ; Б ; В ; Г ?

8 Як змінюється ентропія при переході речовини з одного агрегатного стану в інший, а також при поліморфних перетвореннях:

А поступово збільшується; Б поступово зменшується;

В практично не змінюється; Г змінюється стрибкоподібно?

9 Визначте кількість теплоти, що виділиться при утворенні 9г води, якщо термохімічне рівняння має вигляд:

А ; Б ; В ; Г .

10 Який вигляд має термохімічне рівняння реакції згоряння 1 моль етилового спирту, при якій виділилося теплоти:

А

Б

В

Г

11 Для деякої хімічної реакції і . Яким повинен бути тепловий ефект, щоб реакція самочинно проходила у прямому напрямку:

А Б В Г

12 Яким терміном позначається величина, що визначається кількістю молекул, що беруть участь в елементарному акті взаємодії:

А порядок реакції;

Б молекулярність;

В стехіометричний коефіцієнт;

Г індекс?

13 Що називається активованим комплексом:

А cукупніть молекул у системі, в якій проходить хімічна реакція;

Б молекули, що мають достатню енергію для вступу в хімічну реакцію;

В перехідний стан, при якому зв’язки у молекулах реагентів вже послаблені, але ще до кінця не зруйновані, а нові зв’язки вже намітилися, але ще не утворилися;

Г система, в якій відбувається хімічна взаємодія?

14 Який фізичний зміст має константа швидкості реакції:

А це величина, що дорівнює показнику ступеня, до якого слід піднести концентрацію реагенту, щоб теоретично обчислена швидкість збігалася з експериментальною;

Б це величина, що визначається стехіометричним коефіцієнтом перед формулою реагенту в рівнянні реакції;

В це величина, що визначається молекулярністю реакції;

Г це величина, що характеризує швидкість реакції за умов, при яких концентрації реагуючих речовин дорівнюють 1 моль/л.

15 Завдяки якому чиннику каталізатор прискорює перебіг реакції:

А підвищенню енергії активації;

Б зниженню енергії активації;

В збільшенню теплового ефекту;

Г зменшенню теплового ефекту?

16 Чим пояснити, що за незмінних зовнішніх умов константа хімічної рівноваги, значення якої обчислюється на основі рівноважних концентрації, не залежить від самих концентрації:

А у стані рівноваги концентрації речовин залишаються постійними, тому їх відношення теж є постійною величиною;

Б константа рівноваги пов’язана з енергією Гіббса рівнянням ізотерми Вант-Гоффа;

В константа рівноваги обчислюється відповідно до закону діючих мас;

Г константа рівноваги залежить від температури і тиску в системі?

17 Хімічна реакція відбувається за рівнянням

.

Виберіть, який вираз є правильним для визначення швидкості даної хімічної реакції:

А Б

В Г

18 У скільки разів збільшується швидкість реакції при підвищенні температури на 20⁰С, якщо температурний коефіцієнт реакції дорівнює 3:

А у 6 разів; Б у 9 разів; В у 18 разів; Г у 27 разів?

19 У скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції

при збільшенні концентрації вихідних речовин у 4 рази:

А у 16 разів; Б у 32 рази; В у 64 рази; Г у 96 разів?

20 За допомогою якого чинника можна змістити рівновагу в системі

у бік перебігу прямої реакції:

А зниження температури;

Б підвищення тиску;

В зниження температури та підвищення тиску;

Г підвищення температури та зниження тиску?

Завдання № 21–26 мають чотири варіанти відповіді. Оберіть правильну відповідь (їх може бути декілька).

21 Які характеристики не належать до термодинамічних функцій:

А внутрішня енергія;

Б енергія Гіббса;

В робота;

Г теплота?

22 Назвіть речовини, для яких значення стандартної ентальпії утворення дорівнює нулю:

А Б В Г .

23 Які термодинамічні процеси проходять за умов незмінності кількості теплоти і при постійній температурі:

А адіабатичний;

Б ізохоричний;

В ізобаричний;

Г ізотермічний?

24 За яких умов прискорюється реакція

А підвищення температури; Б зменшення температури;

В подрібнення міді; Г зниження тиску?

25 Виберіть фактори, від яких залежить константа рівноваги:

А властивості речовин; Б природа реагуючих речовин;

В температура; Г концентрація реагуючих речовин.

26 Виберіть фактори, які впливають на зміщення хімічної рівноваги:

А змінення температури; Б змінення концентрації;

В наявність каталізатора; Г змінення тиску.

Завдання № 27–34 мають на меті встановлення відповідності. До кожного рядка, позначеного цифрою, оберіть відповідь, позначену буквою.

27 Установіть відповідність між позначенням термодинамічної функції та її назвою:

Позначення термодинамічної функції	Назва термодинамічної функції
1 ;	А внутрішня енергія;
2 ;	Б ентальпія;
3 ;	В ентропія;
4 .	Г енергія Гіббса.

28 Установіть відповідність між типом термодинамічної системи та її ознаками:

Тип системи	Ознака системи
1 відкрита;	А відсутній обмін із навколишнім середовищем енергією та масою;
2 ізольована;	Б можлива тільки теплопередача у зовнішнє середовище;
3 гетерогенна;	В відбувається обмін з навколишнім середовищем енергією та масою;
4 закрита.	Г складається з однієї речовини, яка одночасно перебуває у твердому і рідкому агрегатному стані.

29 Установіть відповідність між типом системи та її описом:

Тип системи	Опис системи
1 закрита;	А термос із льодом;
2 гомогенна;	Б грілка з гарячою водою;
3 гетерогенна;	В пробірка, в якій проходить реакція, яка характеризується скороченим йонним рівнянням: ;
4 ізольована.	Г пробірка, в якій відбувається реакція, яка характеризується скороченим йонним рівнянням: .

30 Установіть відповідність між назвою закону і його формулюванням:

Закон	Формулювання закону
1 перший закон термодинаміки;	А тепловий ефект хімічної реакції за умов сталого тиску і сталої температури не залежить від шляху її протікання, а залежить лише від природи і фізичного стану вихідних речовин і продуктів реакції;
2 закон Гесса;	Б тепловий ефект зворотної реакції дорівнює тепловому ефекту прямої реакції з протилежним знаком;
3 перший наслідок закону Гесса;	В теплота, підведена до системи, витрачається на збільшення внутрішньої енергії та здійснення роботи;
4 другий наслідок закону Гесса.	Г ентальпія хімічної реакції дорівнює сумі ентальпій утворення продуктів реакції, за винятком суми ентальпій утворення вихідних речовин з урахуванням відповідних стехіометричних коефіцієнтів.

31 Установіть відповідність між рівнянням реакції та кінетичним рівнянням прямої реакції:

Рівняння реакції	Кінетичне рівняння
1 ;	А ;
2 ;	Б ;
3 ;	В ;
4 .	Г .

32 Установіть відповідність між температурним коефіцієнтом та інтервалом температур і зміненням швидкості реакції:

Температурний коефіцієнт та інтервал температур	Змінення швидкості реакції
1 ;	А ;
2 ;	Б ;
3 ;	В ;
4 .	Г .

33 Установіть відповідність між рівноважною системою і чинником, який сприяє проходженню прямої реакції:

Рівноважна система	Чинник
1 ;	А зниження температури;
2 ;	Б підвищення тиску;
3 ;	В зменшення тиску;
4 .	Г збільшення температури.

34 Встановіть відповідність між рівноважною системою і чинником, що прискорює перебіг зворотної реакції:

Рівноважна система	Чинник
1 ;	А зменшення тиску;
2 ;	Б збільшення тиску;
3 ;	В збільшення концентрації СО;
4 .	Г зменшення концентрації СО.