Винокурова_химические_системы_2011

УДК 547 (075)

ББК 24

Х 46

Составители: Винокурова Р. И., Винокуров А. И., Крашенинникова Н. Г., Тарасенко Е. В., Терехова Т. С., Фоминых В. Л., Цибуля Л. В.

Рецензент: кандидат биологических наук, доцент МарГТУ О. В. Силкина

Печатается по решению редакционно-издательского совета МарГТУ

Химические системы: варианты заданий для самостоятель-

Х46 ной работы / сост. Р. И. Винокурова, А. И. Винокуров, Н. Г. Крашенинникова [и др.]. – Издание третье, дополненное. – ЙошкарОла: Марийский государственный технический университет, 2011.

– 140 с.

Содержат план изучения темы с указанием необходимой литературы, краткие пояснения к вопросам, примеры решения задач, а также индивидуальные задания для контроля усвоения материала.

Для студентов технических специальностей, изучающих дисциплину «Химия» по системе РИТМ.

УДК 547 (075)

ББК 24

© Марийский государственный технический университет, 2011

3

ЗАДАНИЕ 1

ТЕРМОХИМИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Наука, изучающая процессы взаимного превращения энергии системы, называется термодинамикой.

Термодинамика делится на физическую (общую), техническую и химическую.

Вфизической термодинамике излагаются ее теоретические основы и их приложение к физическим явлениям, например, к свойствам конденсированных и газообразных тел, к электрическим и магнитным явлениям, излучению и др.

Втехнической термодинамике ее законы рассматриваются в приложении к процессам взаимного превращения теплоты и работы, что позволяет рационально проектировать и совершенствовать тепловые двигатели и разрабатывать их теорию.

Часть термодинамики, изучающая превращения энергии в ходе химических и физико-химических процессов, носит название химической термодинамики. Она рассматривает следующие вопросы:

Составление тепловых балансов процессов, включая тепловые эффекты физических явлений и химических превращений.

Условия возможности протекания химической реакции и стабильности существования химического соединения (без разложения).

Выбор оптимальных условий (температура, давление, концентрация реагентов) получения данного вещества или принципиальной возможности протекания данного процесса.

Термохимия – часть химической термодинамики, изучающая тепловые эффекты химических реакций. Различают реакции экзотермические, идущие с выделением теплоты, и эндотермические, протекающие с поглощением теплоты. Теплота, выделяемая или поглощаемая при химических реакциях, называется тепловым эффектом реакции.

Система – это совокупность тел или одно тело, выделенное в пространстве.

Термодинамическая система – это тело или совокупность тел, способных обмениваться энергией и (или) веществом с другими телами или между собой.

4

Открытая термодинамическая система может обмениваться энергией и (или) веществом с другими системами. В изолированной системе возможно только перераспределение энергии между ее компонентами.

Химическая система – совокупность исходных веществ и продуктов реакции. Она может быть гомогенной и гетерогенной. Состояние системы определяется термодинамическими параметрами, которые подразделяются на экстенсивные (количество вещества, его масса, объем) и интенсивные (температура, давление, плотность).

Термодинамическое состояние системы описывается параметрами состояния (Р ,Т, V) и функциями состояния: полная энергия (Е), внутренняя энергия (U), энтропия (S), энтальпия (Н), свободная энергия Гиббса (G).

Полная энергия системы определяется суммой кинетической (К), потенциальной (П) и внутренней энергией (U): Е = К + П +U. В термодинамике принимается, что К = П = 0. В итоге приближенно Е = U.

Внутренняя энергия представляет собой общий запас энергии, который является суммой многих составляющих, возникающих в результате различных видов движения и взаимодействия различных частиц в силовых полях. Количественный учет всех составляющих внутренней энергии не возможен, поэтому рассматривают лишь ее изменения.

С целью однозначного и количественного определения изменения энергии в химических реакциях вводится понятие стандартного состояния вещества. За стандартное состояние вещества принимают ту его фазу (газообразную, жидкую, твердую), в которой оно существует при 250С (298,15 К) и давлении 1 атм (101,3 кПа).

Цель и задачи

Изучив тему, Вы должны уметь:

1)пользоваться основными элементами и понятиями химической термодинамики;

2)давать характеристику процесса по термохимическому уравнению;

3)рассчитывать стандартные величины энтальпии, энтропии и свободной энергии системы с применением закона Гесса и следствия из него;

4)уметь предсказывать направление процесса по величине свободной энергии.

5

Литература:

1.Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2000. – Гл. II,

§ 5.1-5.4.

2.Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1986. – Гл. VI § 54-56, 66-68.

План изучения темы

1.Используя указанную литературу, ознакомиться со следующими учебными элементами темы и составить краткий конспект:

система; термодинамическая система; химическая система; системы открытые и изолированные; тепловой эффект реакции; реакции экзо- и эндотермические; термохимическое уравнение; закон Гесса и следствие из закона Гесса; внутренняя энергия;

энтальпия; энтропия; энергия Гиббса; стандартные условия; стандартные термодинамические величины Н0, S0, G0.

2.Разобрать приведенный ниже пример решения нулевого варианта.

3.Выполнить задание согласно номеру своего варианта.

Решение нулевого варианта

Для приведенной реакции СО (г) + Н2О (ж)  СО2 (г) + Н2 (г)

1. Расставить коэффициенты, рассчитать стандартную энтальпию реакции ( Н0х.р.) и указать, будет ли данная реакция экзоили эндотермической по тепловому эффекту.

Решение. Запись химической реакции с указанием теплового эффекта и агрегатного состояния вещества называется термохимическим уравнением. Коэффициенты в термохимическом уравнении могут быть и дробными.

Тепловой эффект реакции, называемый еще энтальпией системы, обозначается Н, измеряется в килоджоулях (кДж) или килокалориях (ккал) и записывается в правой части термохимического уравнения через точку с запятой. Н < 0 – для экзотермической реакции и Н > 0 – для эндотермической реакции.

Агрегатное состояние веществ обозначают: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое, т – твердое.

6

В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: «Тепловой эффект реакции зависит только от конечного и начального состояния системы, но не зависит от пути перехода».

Количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при образовании 1 моля сложного вещества из простых веществ, называется теплотой или энтальпией образования данного вещества (кДж/моль и ккал/моль). Энтальпия образования, отнесенная к стандартным условиям (Т= 298 К; Р = 1 атм), называется стандартной энтальпией образования и обозна-

чается fН0, или fН0298.

Для большинства веществ значения fН0298 приводятся в справочных таблицах (приложение 1).

Энтальпия образования данного соединения равна энтальпии разложения, взятой с противоположным знаком.

Энтальпия образования простого вещества равна нулю. Термохимические расчеты упрощаются при использовании след-

ствия из закона Гесса:

«Тепловой эффект реакции равен разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ с учетом коэффициентов в уравнении реакции».

Рассчитаем тепловой эффект данной реакции. Согласно следствию из закона Гесса:

H0х.р. H(0прод) H(0исх.в в) H0CO2 H0H2 HCO0 H0H2O

H0х.р. = – 393,5 + 0 – (–110,5 – 285,8) = 2,8 кДж.

Поскольку Н0х.р. > 0, данная реакция – эндотермическая, протекает с поглощением теплоты.

2. Рассчитать стандартную энтропию реакции (ΔS0х.р.) и указать, будет ли самопроизвольно протекать данная реакция в изолированной системе в стандартных условиях.

Решение. Химические реакции обычно являются результатом одновременно происходящих явлений: передачи энергии (изменение энтальпии системы) и изменения в упорядоченности расположения частиц системы относительно друг друга.

Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы: конденсация, кристаллизация и т.п. ведут к уменьшению энтропии. Энтропия обозначается буквой S, а для стандартных условий – S0 или S0298. Она является функцией состояния системы и, согласно следствию из закона Гесса, равна разности суммы

7

энтропий продуктов реакции и суммы энтропий исходных веществ:

S0 = ΣS0(прод.) – ΣS0(исх. в-в).

Энтропия выражается в Дж/моль · град (дж/моль · К), кал/моль · град (кал/моль · К). Стандартные ее значения приводятся в справочных таблицах (приложение 1).

Для данной реакции

S0х.р. S(0прод) S(0исх.в в) S0H2 S0CO2 SCO0 S0H2O(ж)

S0х.р = 130,5 + 197,5 – 213,7 – 70,1 = 44,2 Дж/моль · К.

Поскольку S0х.р > 0, реакция может протекать самопроизвольно в изолированной системе.

3. Рассчитать стандартную энергию Гиббса (G0298) и энергию Гиббса (Gх.р.) при температуре 10000 К. Прямая или обратная реакция будет протекать самопроизвольно в неизолированной системе в указанных условиях?

Решение. При постоянной температуре и давлении состояние системы описывают величиной G, называемой изобарно-изотермическим потенциалом, свободной энергией, или энергией Гиббса.

Изменение свободной энергии в стандартных условиях обозначают G0, или G0298 и приводят в справочных таблицах (приложение 1).

Энергия Гиббса является функцией состояния и, по следствию из закона Гесса, стандартная энергия Гиббса равна

G0289 G0(прод) G(0исх.в в) G0H2 G0CO2 G0CO G0H2O

G0298 = 0 – 394,4 – (–237,3 – 137,1) = – 20 кДж.

Энергия Гиббса называется движущей силой реакции и объединяет два параметра реакции – энтальпию (ΔН0) и энтропию (ΔS0):

G0 = Н0 – Т S0, где Т – абсолютная температура. Величина S0 выражается в кДж/моль · град.

Химические реакции при постоянных значениях температуры и дав-

Поскольку G0х.р.< 0 при данной температуре реакция протекает самопроизвольно.

8

4. По полученным в пп. 1 и 2 данным а) рассчитать температуру, при которой равновероятны оба направ-

ления реакций; б) указать область температур, в которой реакция самопроизвольно

может протекать в прямом направлении с учетом того, что реагенты находятся в стандартных состояниях, а значения Н0 и S0 реакций не зависят от температуры.

Решение. Оба направления реакции равновероятны в состоянии равновесия, когда скорости прямой и обратной реакций равны.

При Т > 63К реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении. В случае, когда Н0 < 0, S0 > 0, процесс протекает самопроизвольно при любой температуре, если же Н0 > 0, S0 < 0, то неосуществим ни при какой температуре.

Задания для самостоятельного выполнения

Для реакции, протекающей по схеме, приведенной в таблице 1:

1.Расставить коэффициенты, рассчитать стандартную энтальпию реакции ( Н0х.р.) и указать, будет ли данная реакция экзоили эндотермической по тепловому эффекту.

2.Рассчитать стандартную энтропию реакции (ΔS0х.р.) и указать, будет ли самопроизвольно протекать данная реакция в изолированной системе в стандартных условиях.

3.Рассчитать стандартную энергию Гиббса (G0298) и энергию Гиббса (Gх.р.) при температуре, указанной в таблице 1. Прямая или обратная реакция будет протекать самопроизвольно в неизолированной системе в указанных условиях?

4.По полученным в пп. 1 и 2 данным

а) рассчитать температуру, при которой равновероятны оба направления реакций;

б) указать область температур, в которой реакция может самопроизвольно протекать в прямом направлении с учетом того, что реагенты находятся в стандартных состояниях, а значения Н0 и S0 реакций не зависят от температуры.

10