Вопросы для самоконтроля

1. Что называется термохимическим уравнением? Почему в нём необходимо указывать агрегатное состояние веществ и их полиморфные модификации?

2. Каковы две системы знаков тепловых эффектов?

3.Что называется стандартной теплотой (энтальпией) образования соединения? Какие условия называются стандартными?

4. Сформулируйте закон Гесса и следствие из этого закона. Какова взаимосвязь закона Гесса и закона сохранения энергии?

5. В каком направлении самопроизвольно протекают химические реакции? Что является движущей силой химического процесса?

6.Каковы термодинамические условия самопроизвольного протекания химической реакции?

7.Что такое изобарно – изотермический потенциал химической реакции и как он связан с изменением энтальпии и энтропии реакции?

8.Как вычислить изменение энергии Гиббса в реакции по термодинамическим характеристикам исходных веществ и продуктов реакции?

9. Что такое энтропия реакции?

10. Как изменяется энтропия с увеличением движения частиц в системе?

Примеры решения типовых задач

Задача 1.Термохимическое уравнение реакции

Газообразный этиловый спирт можно получить при взаимодействии этилена и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив его тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакцию вступило 10 л этилена при н.у.?

Решение:Составим термохимическое уравнение реакции:

С₂Н₄(r) + H₂O(r) = C₂H₅OH(r) Hхр = ?

Согласно следствия закона Гесса:

Нхр = H_{С2Н5ОН(r)} - H_C2H4(r) - H_H2O(r)

Подставляем значения Н из таблицы:

Нхр = -235,31 – 52,28 – (-241,84) = -45,76кДж

Один моль этилена (н.у.) занимает объем 22,4 л. Исходя из следствия закона Авогардо, можно составить пропорцию:

22,4 л С₂Н₄ 45,76 кДж

10 л С₂Н₄Нхр Нхр =20.43 кДж

Если в реакцию вступило 10 л С₂Н₄, то выделяется 20,43кДж теплоты.

Ответ:20,43кДж теплоты.

Задача 2. Определение энтальпии реакции  Определить изменение энтальпии химической реакции и ее тепловой эффект.  2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O  Решение:  По справочнику определим энтальпии образования компонентов.  ΔH⁰(NaOH) = -426 кДж/моль.  ΔH⁰(H₂SO₄) = -813 кДж/моль.  ΔH⁰(H₂O) = -285 кДж/моль.  ΔH⁰(Na₂SO₄) = -1387 кДж/моль.  По следствию из закона Гесса определим изменение энтальпии реакции:  ΔHх.р. = [ΔH(Na₂SO₄) + 2ΔH(H₂O)] - [ΔH(H₂SO₄) + 2ΔH(NaOH)] =  = [-1387 + 2(-285)] - [-813 + 2(-426)] = - 1957 - (-1665) = - 292 кДж/моль.  Определим тепловой эффект:  Q = - ΔHх.р. = 292 кДж.  Ответ: 292 кДж.  Задача 3. Гашение извести описывается уравнением: СаО + Н₂О = Са(ОН)₂.  ΔHх.р. = - 65 кДж/моль. Вычислить теплоту образования оксида кальция, если ΔH⁰(H₂O) = -285 кДж/моль,  ΔH⁰(Ca(OH)₂) = -986 кДж/моль.  Решение:  Запишем по закону Гесса:  ΔHх.р. = ΔH⁰(Ca(OH)₂)  - ΔH⁰(H₂O) - ΔH⁰(CaO)    Отсюда,   ΔH⁰(CaO) = ΔH⁰(Ca(OH)₂)  - ΔH⁰(H₂O) -  ΔHх.р. = - 986 - (-285) - (-65) = - 636 кДж/моль.  Ответ: - 636 кДж/моль. 

Задача 4. Рассчитайте энтальпию образования сульфата цинка из простых веществ при T = 298 K на основании следующих даных :  ZnS = Zn + S ΔH₁ = 200,5 кДж  2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂ ΔH₂ = - 893,5 кДж  2SO₂ + O₂ = 2SO₃ ΔH₃ = - 198,2 кДж  ZnSO₄ = ZnO + SO₃ ΔH₄ = 235,0 кДж  Решение:  Из закона Гесса следует, что, поскольку путь перехода не важен, расчеты подчиняются алгебраическим правилам работы с обычными уравнениями. Иными словами, их можно "тасовать" как угодно. Попробуем применить эту возможность.  Нам необходимо прийти к уравнению:  Zn + S + 2O₂ = ZnSO_4.  Для этого скомпонуем имеющийся "материал" так, чтобы слева оказались Zn, S, O₂, а справа - сульфат цинка. Перевернем первое и четвертое уравнение слева направо, а во втором и третьем разделим коэффициенты на 2.  Получим:  Zn + S = ZnS  ZnS + 1,5O₂ = ZnO + SO₂  SO₂ + 0,5O₂ = SO₃  ZnO + SO₃ = ZnSO_4.  Теперьпопростусложимправыечастиилевыечасти.  Zn + S + ZnS + 1,5O₂ + SO₂ + 0,5O₂ + ZnO + SO₃ = ZnS + ZnO + SO₂ + SO₃ + ZnSO₄  Чтобудетравно  Zn + S + 2O₂ + ZnS + SO₂ + SO₃ + ZnO  = ZnS + SO₂ + SO₃ + ZnO + ZnSO₄ 

Видно, да, чтополучается? Все подчеркнутоесокращаем (опять же, чистая арифметика!)  И имеем в итоге  Zn + S + 2O₂ = ZnSO₄ - что и требовалось.  Теперь применим тот же принцип и к энтальпиям. Первую и четвертую реакции перевернули, значит, энтальпии получат противоположный знак. Вторую и третью делим пополам (поскольку делили коэффициенты).  ΔH = - 200,5 + (-893,5/2) + (-198,2/2) + (-235,0) = - 981,35 кДж/моль.  Ответ:- 981,35 кДж/моль. 

Задача 5. Вычислите энтальпию реакции полного окисления этилового спирта до уксусной кислоты, если энтальпия образования всех веществ, участвующих в реакции, равны:

∆Нº _обр. С₂Н₅ОН ж = - 277 кДж/моль;

∆Нº _обр. СН₃СООН ж = - 487 кДж/моль;

∆Нº _обр. Н₂О ж = - 285,9 кДж/моль;

∆Нº _обр. О₂ = 0

Решение:Реакция окисления этилового спирта:

С₂Н₅ОН + О₂ = СН₃СООН + Н₂О

Из закона Гесса следует, что ∆Н_р-ции = (∆Нº_обр. СН₃СООН + ∆Нº _обр. Н₂О) –

(∆Нº _обр. С₂Н₅ОН + ∆Нº _обр. О₂) = - 487 – 285,9 + 277,6 = - 495,3 кДж.

Задача 6.Определение теплоты сгорания

Вычислите теплоту сгорания этилена С₂Н₄(г) + 3O₂ = 2СO₂(г) + 2H₂O(г) если теплота его образования равна 52,3 кДж/моль. Каков тепловой эффект сгорания 5 л. этилена?  Решение:  Определим изменение энтальпии реакции по закону Гесса.  По справочнику определим энтальпии образования компонентов, кДж/моль:  ΔH⁰(C₂H₄(г)) = 52.  ΔH⁰(CO₂(г)) = - 393.  ΔH⁰(H₂O(г)) = - 241.  ΔHх.р. = [2*(-393) + 2*(-241)] - [52,3 + 0] = -1320 кДж/моль.  Количество выделившегося тепла при сгорании 1 моль этилена Q = - ΔHх.р. = 1320 кДж  Количество теплоты, выделяющейся при сгорании 5 л. этилена:  Q1 = Q * V / Vm = 1320 * 5 / 22,4 = 294,6 кДж.  Ответ:294,6 кДж. 

Задача 7. Температура наступления равновесия Определить температуру, при которой наступит равновесие системы:  CH₄(г) + CO₂(г) = 2CO (г) + 2H₂(г)  ΔHх.р. = + 247,37 кДж.  Решение: Критерием возможности протекания химической реакции служит энергия Гиббса, ΔG.  ΔG < 0, реакция возможна.  ΔG = 0, порог возможности.  ΔG > 0, реакция невозможна.  С энтальпией и энтропией энергия Гиббса связана соотношением:  ΔG = ΔH - TΔS.  Отсюда, для наступления равновесия (достижения порога), должно выполниться соотношение:  T = ΔH/ΔS  Определим изменение энтропии по следствию из закона Гесса.  CH₄(г) + CO₂(г) = 2CO (г) + 2H₂(г)  ΔS⁰х.р. = [2*S⁰(CO) + 2*S⁰(H2)] - [S⁰(CH4) + S⁰(CO2)]  Выписав из справочника соотв. значения, решаем:  ΔS⁰х.р. = (2*198 + 2*130) - (186 + 213) = 656 - 399 = 257 Дж/моль*К = 0,257 кДж/моль*К.  T = ΔH/ΔS = 247,37/0,257 = 963 ^оК.  Ответ:963 ^оК. 

Задача 8.Знак изменения энтропии

Не производя вычислений, определить знак изменения энтропии процессов:  1. H₂O(г) ---> H₂O(ж)  2. 2H₂S + O₂ = 2S(тв.) + 2H₂O(ж)  3. (NH₄)₂CO₃(тв.) = 2NH₃ + CO₂ + H₂O (все продукты газообразны). 

Решение: Поскольку энтропия - мера неупорядоченности системы, то выполняется общая закономерность:  S(тв.) < S(жидкость) < S(газ).  В свете этого проанализируем задачу.  1. Из газа конденсируется жидкость.  Поскольку S(жидкость) < S(газ), ΔS < 0.  2. Из 3 моль газов получается 2 моль тв. вещества и 2 моль жидкости.  Очевидно, что ΔS < 0.  3. Из твердого вещества получаются газы.  Поскольку S(тв.) < S(газ), ΔS > 0. 

Задача 9.Возможность процесса 

Заданы условия:  1. ΔS < 0, ΔH < 0  2. ΔS < 0, ΔH > 0  3. ΔS > 0, ΔH < 0  4. ΔS > 0, ΔH > 0  Проанализировать возможность протекания реакции.  Решение: В решении будем опираться на формулу: ΔG = ΔH - TΔS. (Подробнее - см. задача № 7).  1. При ΔS < 0, ΔH < 0.  Первое слагаемое формулы (ΔH) меньше нуля, а второе, за счет отрицательного знака энтропии, больше нуля  (-T(-ΔS) = +TΔS) . Возможность реакции будет определяться соотношением величин первого и второго слагаемого. Если значение энтальпии (по модулю) будет больше произведения TΔS, (|ΔH| > |TΔS|), т.е. в целом энергия Гиббса будет меньше нуля, реакция возможна.  2. ΔS < 0, ΔH > 0.  И первое, и второе слагаемое больше нуля. Энергия Гиббса больше нуля. Реакция невозможна.  3. ΔS > 0, ΔH < 0.  Первое слагаемое меньше нуля, второе - тоже. Энергия Гиббса меньше нуля, реакция возможна.  4. ΔS > 0, ΔH > 0  Первое слагаемое формулы (ΔH) больше нуля, а второе, за счет положительного знака энтропии, больше нуля  (-T(+ΔS) = - TΔS) . Возможность реакции будет определяться соотношением величин первого и второго слагаемого. Если значение энтальпии (по модулю) будет больше произведения TΔS, (|ΔH| > |TΔS|), т.е. в целом энергия Гиббса будет больше нуля, реакция невозможна. Однако, с ростом температуры будет расти (по модулю) второе слагаемое, и за определенным пределом температуры реакция станет возможна.  Ответ: 1 – возможна; 2 - невозможна.; 3 – возможна; 4 – возможна.    Задача 10.На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислить G^o₂₉₈ реакции СО(г) + H₂O(ж) = СО₂(г) + Н₂(г) Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Решение:G^о определяем из уравнения G^o=H^o-TS^o

Hхр = Н_СО2 - Н_СО - Н_{Н2О (ж)} == -393,51 – (110,52) – (-285,84) = -218,19 кДж.

Sхр = S_CO2 + S_H2 - S_CO – S_{H2O (ж)} = = 213,65+130,59–197,91–69,94=76,39 Дж/мольК

или 0,07639 кДж.

G = -218,19 – 298  0,07639 = -240,8 кДж

G<0, значит реакция возможна.

Ответ:реакция возможна.