Задание 24

Принимая во внимание значение относительных электроотрица­тельностей (приложение 1), определите, какой тип химической связи (ковалентная неполярная, ковалентная полярная или ионная) имеет место в указанных соединениях (табл. 3). В случае ковалент­ной полярной или ионной связи укажите направление смещения электронов. В случае ковалентной связи постройте электронные схемы молекул, схемы перекрывания электронных орбиталей и оп­ределите геометрическую форму молекулы.

NaCl, NH₃

Решение:

1. Рассмотрим NaCl – хлорид натрия.

Найдем из справочника значения относительных электроотрица­тельностей атомов натрия и хлора:

ЭО (Na) = 0,93

ЭО (Cl) = 3,16

Разность электроотрицательностей атомов Na и Cl равна 3,16 – 0,93 = 2,23 > 1,7.

Следовательно, в хлориде натрия связь ионная.

Укажем направление смещения электронов:

Na → Cl (общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому хлора).

Атом натрия отдает атому хлора 1 электрон:

Na⁰ – 1e → Na⁺¹

Сl⁰ + 1e → Cl^-

или

Na⁰ + Cl⁰ → Na⁺¹Cl^-

2. Рассмотрим молекулу NH_3.

Найдем из справочника значения относительных электроотрица­тельностей атомов азота и водорода:

ЭО (N) = 3,04

ЭО (Н) = 2,10

ЭО (N) - ЭО (Н) = 3,04 – 2,10 = 0,94 < 1,7. Следовательно, химическая связь в молекуле аммиака – ковалентная полярная.

Укажем направление смещения электронов в молекуле NH₃

Н

↓

Н → N ← Н

Электронная конфигурация атома азота: 1s²2s²2p³

Атом азота имеет на внешнем уровне 5 электронов:

N…2s²2p³

Неспаренными являются 3 электрона.

Атом водорода имеет на наружном уровне 1 электрон, который является неспаренным: Н 1s¹

Отсюда получаем следующую электронную схему молекулы NH₃ :

Из одной s- и трёх р-орбиталей атома азота (по числу исход­ных) образуются четыре гибридных sp³-орбитали. На одной из них находится неподелённая пара электронов атома азота, а три перекрываются с s-орбиталями трех атомов водорода.

Схема перекрывания электронных орбиталей:

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды.

Задание 44

Используя данные приложения 2, вычислить стандартные изменения энтальпии (H), энтропии (S) и свободной энергии Гиббса (G) для химических реакций, уравнения которых указаны ниже. Объясните характер изменения энтальпии (экзо- или эндотермическая реакция; выделяется или поглощается теплота) и энтропии (S> 0,S< 0, S = 0). Возможна ли данная реакция при стандартных условиях ? При какой температуре она начинается?

C₂H₅OH_(ж) + 3O_2(г) = 2CO_2(г) + 3H₂O_(г)

Решение:

C₂H₅OH_(Ж) + 3О_2(г) = 2СО_2(г) + 3H₂O_(г)

Используя приложение, найдем необходимые для решения задачи данные:

Н₂₉₈(СО_2(г)) =  393,8 кДж/моль

Н₂₉₈(H₂O_(г)) =  241,2 кДж/моль

Н₂₉₈(C₂H₅OH_(Ж)) =  277,6 кДж/моль

Н₂₉₈(О_2(г)) = 0 кДж/моль

S₂₉₈(СО_2(г)) = 213,8 Дж/моль*К

S₂₉₈(H₂O_(г)) = 188,9Дж/моль*К

S₂₉₈(C₂H₅OH_(Ж)) = 161,1 Дж/моль*К

S₂₉₈(О_2(г)) = 205,0 Дж/моль*К

Изменение энтальпии при стандартных условиях:

H_(р-ции) = [2·H₂₉₈(СО_2(г)) + 3·H₂₉₈ (H₂O_(г))] -[1·H₂₉₈(C₂H₅OH_(Ж)) + 3·H₂₉₈(О_2(г))] = 2·( 393,8) + 3·( 241,2) - 1·( 277,6) – 3·0 = -1233,6 кДж.

Отрицательный знакH_(р-ции) говорит о том, что реакция протекает с выделением теплоты (Q_(р-ции) > 0), т.е. является экзотермической. Это энтальпийно выгодный процесс.

Изменение энтропии при стандартных условиях:

S_(р-ции) = [2·S₂₉₈(СО_2(г)) + 3·S₂₉₈(H₂O_(г))] -[1·S₂₉₈(C₂H₅OH_(Ж)) + 3·S₂₉₈(О_2(г))] =

= 2·213,8 + 3·188,9 – 161,1 – 3·205,0 = 218,2 Дж/K = 0,2182 кДж/K

Характер изменения энтропии (S_(р-ции) > 0) свидетельствует об увеличении беспорядка в расположении и перемещении частиц. Это энтропийно выгодный процесс.

Изменение свободной энергии Гиббса при стандартных условиях:

G_(р-ции) = H_(р-ции) - Т·S_(р-ции) (Т = 298 К).

G_(р-ции) = -1233,6 - 298·0,2182 = - 1298,6 кДж.

Отрицательный знак G_(р-ции) указывает на возможность самопроизвольного протекания данной реакции при стандартных условиях.

Так как H_(р-ции)< 0, Т·S_(р-ции) > 0, следовательно G_(р-ции)< 0 при любом значении температуры Т (с учетом того, что Т ≥0). Тогда условно можно принять, что реакция начинается при температуре Т = 0 К.