Решение задач по теме и задания для самостоятельной работы

I.

Укажите, какое вещество в каждой из перечисленных ниже пар веществ имеет большую энтропию, и дайте этому объяснение.

Решение.

Газообразные вещества имеют большую степень неупорядоченности, нежели жидкие и твердые, следовательно 1 моль NaCl (тв.) имеет большую энтропию, чем 1 моль НCl (г.) [1]. При повышении температуры энтропия возрастает, следовательно один и тот же образец в условиях с большей температурой имеет большую степень неупорядоченности [2]. Образец, содержащий 2 моля вещества, имеет большую степень неупорядоченности, чем образец с меньшим количеством того же вещества [3]. Образец, содержащий двухатомную молекулу имеет большую энтропию, так как может накапливать энергию большим числом способов, чем атомы инертных газов, а также расстояние между атомами в молекуле может совершать колебательные и вращательные движения [4].

1. 1 моль NaCl (тв.) и 1 моль НCl (г.) при 25⁰С

2. 1 моль Ar (г.) при 25⁰С и 1 моль Ar (г.) при 25 К

3. 2 моля НCl (г.) при 25⁰С и 1 моль НCl (г.) при 25⁰С

4. 1 моль НCl (г.) при 25⁰С и 1 моль Ar (г.) при 25⁰С

II.

Для каждого из следующих случаев укажите, приводит ли процесс к повышению или понижению хаотичности, т.е. беспорядка, в системе.

Решение.

При переходе из кристаллического состояния в жидкое или газообразное повышается объем, занимаемый молекулами, а также степень свободы молекул, таким образом хаотичность увеличивается [1, 2]. В случае [3] свободно перемещавшиеся в растворе ионы образуют твердое вещество, в кристаллической решетке которого они ограничены строго определенными положениями, следовательно беспорядок уменьшается. При реакции [4] из твердого и газообразного веществ образуется кристаллический продукт, т.е. общая хаотичность системы понижается.

1. Н₂O (ж.) → Н₂O (г.)

2. Fe (тв.) → Fe (ж.)

3. Ag⁺ (водн.) + Cl^-(водн.)→ Ag Cl(тв.)

4. 4 Fe (тв.)+ 3 O₂ (г.) → 2Fe₂O₃(тв.)

III.

Предскажите, каким будет изменение энтропии системы ΔS в перечисленных ниже реакциях — положительным или отрицательным?

Решение.

ΔS = S_{продуктов} - S_{исходных веществ} , таким образом следует определить, что больше: энтропия исходных веществ (реагентов) или энтропия продуктов реакции. Фазовый переход из жидкого в газообразное состояние приводит к повышению энтропии ΔS>0 [1]. Если среди продуктов содержится больше молей газообразных веществ, то ΔS>0 [2, 3]. В реакции [4] изменение энтропии невелико ΔS≈0, т.к. число молей продуктов и реагентов одинаково, и, основываясь на рассуждениях, предсказать знак ΔS нельзя.

1. Н₂O (ж.) при 25⁰С → Н₂O (г.) при 25⁰С

2. CaCO₃ (тв.) → CaO (тв.) + CO₂(г.)

3. 2NН₃(г.) → N₂ (г.) + 3Н₂(г.)

4. N₂ (г.) + O₂ (г.) → 2NO(г.)

IV.

Укажите, какой из следующих процессов является самопроизвольным, объясните, какой знак будет у ΔG₂₉₈:

Решение.

Вкатывание камня вверх по склону холма — несамопроизвольный процесс, требующий для осуществления затрат энергии, (ΔG₂₉₈> 0);

Ржавление гвоздя — самопроизвольный процесс, сопровождается значительным понижением энтропии ΔS< 0 (задача II, 4) и выделением тепла ΔН < 0 и, несмотря на снижение хаотичности, общее изменение ΔG₂₉₈< 0;

Собирание осколков разбитого стакана — несамопроизвольный процесс, требующий для осуществления затрат энергии, (ΔG₂₉₈>0).

V.

Осуществима ли при комнатной температуре реакция 2Н₂O (ж.) →2Н₂ (г.) + O₂ (г.); ΔН = 572 кДж; ΔS = 329 Дж/К

Решение.

Реакция осуществима при заданной температуре, если ΔG < 0. Комнатная температура по абсолютной шкале составляет Т= 273 + t⁰C, т.е. Т=298 К.

ΔG = ΔH - Т ΔS, подставляем значения в формулу и вычисляем ΔG.

ΔG = 572 кДж – 298 К ∙ 0,329 кДж/К = 474 кДж, ΔG > 0, следовательно реакция термодинамически запрещена.

V.

Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию первого реагента в 5 раз? 2СО (г.) + О₂(г.) = 2СО₂(г.)

Решение.

Согласно закону действия масс начальная скорость реакции равна:

V₁ = k [СО] ² [О₂ ] ¹

А после увеличения концентрации оксида углерода в 5 раз:

V₂ = k (5[СО])² [О₂ ] ¹= 25 k [СО] ² [О₂ ] ¹= 25 V₁

Следовательно, скорость реакции возрастет в 25 раз.

VI.

Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 20 ⁰С до 50 ⁰С , если температурный коэффициент скорости реакции γ равен 3 ?

Решение.

В соответствии с правилом Вант-Гоффа скорость реакции увеличивается в 3 раза при повышении температуры на каждые 10 градусов.

V_t1= V_t2 γ ^(t2-t1)/10

Следовательно, V_t1/ V_t2 = 3 ^(50-20)/10 =3 ³=27 раз.

VII.

Как в соответствии с правилом Ле Шателье сдвинется химическое равновесие при следующем внешнем воздействии:

1. увеличение температуры

2. увеличение давления

3. увеличение концентрации продуктов

N₂ (г.) + 3Н₂(г.) → 2NН₃(г.); ΔН < 0

Решение.

1. В соответствие с правилом Ле Шателье при увеличении температуры равновесие сдвинется в сторону той реакции, которая поглощает энергию, т.е. эндотермической. В данном случае эндотермической реакцией является обратная. [←]

2. При протекании реакции общее число молей веществ уменьшается (от 4-х до 2-х), поэтому при повышении давления в системе равновесие сместится вправо, т.е. в сторону прямой реакции, что ведет к уменьшению давления в системе. [→]

3. При увеличении концентрации аммиака равновесие сместится в сторону расходования аммиака, т.е. в сторону реакции, идущей с образованием водорода и азота. [←]

Проверьте, насколько Вы усвоили материал, выполнив следующие задания.

I.

Укажите, какое вещество в каждой из перечисленных ниже пар веществ имеет большую энтропию, и дайте этому объяснение.

1. 1 моль NaBr (тв.) и 1 моль НBr (ж.) при 25⁰С

2. 2 моля Н₂O (г.) при 125⁰С и 1 моль Н₂O (г.) при 125⁰С

3. 1 моль НCl (г.) при 25⁰С и 1 моль НCl (г.) при 299 К

4. 1 моль НCl (г.) при 25⁰С и 1 моль Не (г.) при 25⁰С

5. 2 моля Н₂O (г.) при 100⁰С и 2 моля Н₂O (г.) при 373 К

6. 1 моль Ar (г.) при 25⁰С и 1 моль Ar (г.) при 25 К

II.

Для каждого из следующих случаев укажите, приводит ли процесс к повышению или понижению хаотичности, т.е. беспорядка, в системе.

1. 4 Fe (тв.)+ 3 O₂ (г.) → 2Fe₂O₃(тв.)

2. Ba⁺⁺ (водн.) + SO₄^2- (водн.) → BaSO₄ (тв.)

3. этанол (ж.) → этанол (г.)

4. Al (тв.) → Al (ж.)

5. NaBr (тв.) + Н₂O (ж.) → Na⁺ (водн.) + Br ^- (водн.) + Н₂O (ж.)

6. Образование раствора из глюкозы и воды.

III.

Предскажите, каким будет изменение энтропии системы ΔS в перечисленных ниже реакциях — положительным или отрицательным?

1. Н₂O (ж.) → Н₂O (г.) при 25⁰С

2. CaO (тв.) + CO₂(г.) → CaCO₃ (тв.)

3. H₂ (г.) + I₂ (г.) → 2HI(г.)

4. Ag⁺ (водн.) + Cl^-(водн.)→ Ag Cl(тв.)

5. Испарение хлороформа (ж.)

6. Смешение 10 г этилового спирта и 25 г воды

7. Осаждение Ag Cl(тв.) при смешении NaCl(водн.) и AgNO₃(водн.)

8. N₂ (г.) + 3Cl₂(г.) → 2NCl ₃(г.)

IV.

Укажите, какой из следующих процессов является самопроизвольным, объясните, какой знак будет у ΔG298:

1. Скатывание камня вниз по склону холма;

2. Ржавление железных деталей;

3. Набирание букв при печатании книги;

4. Развитие ребенка во взрослого человека;

5. Появление пыли на чистом столе;

6. Смешивание масла и воды;

7. Реакция фотосинтеза.

V.

Какие из перечисленных ниже реакций осуществимы при комнатной температуре (ΔG298 < 0):

1. N₂ (г.) + 3Cl₂(г.) → 2NCl₃(г.); ΔН = +460 кДж; ΔS = -275 Дж/К;

2. N₂ (г.) + 3F₂(г.) → 2NF₃(г.) ; ΔН = -249кДж; ΔS = -278 Дж/К;

3. N₂F₄ (г.) → 2NF₂(г.); ΔН = 85 кДж; ΔS = 198 Дж/К;

VI

Определит, при какой температуре перечисленные реакции становятся термодинамически разрешенными?

1. N₂ (г.) + 3Cl₂(г.) → 2NCl₃(г.); ΔН = +460 кДж; ΔS = -275 Дж/К;

2. N₂ (г.) + 3F₂(г.) → 2NF₃(г.) ; ΔН = -249кДж; ΔS = -278 Дж/К;

3. N₂F₄ (г.) → 2NF₂(г.); ΔН = 85 кДж; ΔS = 198 Дж/К;

VII.

При растяжении резиновой ленточки цепные молекулы резины выстраиваются вдоль направления растяжения. Определите знаки величин ΔН и ΔS для процесса растяжения полоски резины.

VIII.

Предскажите знаки величин ΔG, ΔH, ΔS следующих процессов:

1. Плавление льда при 0⁰С

2. Плавление льда при 25⁰С

3. Плавление льда при -25⁰С