Решение задач по разделу

Тема «Химическая термодинамика и кинетика», предполагающая изучение условий, влияющих на скорость химической реакции, встречается в школьном курсе химии дважды – в 9-м и в 11-м классах. Однако именно эта тема является одной из наиболее трудных и достаточно сложной не только для понимания «средним» учеником, но даже для изложения некоторыми учителями, особенно неспециалистами, работающими в сельской местности, для которых химия является дополнительным предметом, с учетом часов которого у педагога набирается ставка, а значит, и надежда на более-менее приличную зарплату.
В условиях резкого уменьшения числа учащихся в сельских школах, в силу хорошо известных причин, учитель вынужден быть универсалом. Посетив 2–3 курса, он начинает преподавание предметов, зачастую очень далеких от его основной специальности.
Данная разработка ориентирована в первую очередь на начинающих учителей и предметников, вынужденных преподавать химию в условиях рыночной экономики. Материал содержит задачи на нахождение скоростей гетерогенных и гомогенных реакций и увеличения скорости реакции при повышении температуры. Несмотря на то, что данные задачи базируются на школьном, хотя и сложном для усвоения «средним» учеником материале, целесообразно прорешать несколько из них на уроке химии в
11-м классе, а остальные предложить на кружковом или факультативном занятии учащимся, которые планируют свою дальнейшую судьбу связать с химией.
Помимо подробно разобранных и снабженных ответами задач данная разработка содержит теоретический материал, который поможет учителю химии, в первую очередь неспециалисту, понять суть этой сложной темы курса общей химии.
С опорой на предлагаемый материал можно создать свой вариант урока-лекции, в зависимости от способностей учащихся в классе, причем использовать предложенную теоретическую часть можно при изучении этой темы как в 9-м, так и в 11-м классе.
Наконец, материал, содержащийся в данной разработке, будет нелишним разобрать самостоятельно выпускнику, готовящемуся к поступлению в вуз, в том числе и в тот, в котором химия является профилирующим предметом.

Теоретическая часть по теме
«Химическая термодинамика и кинетика»

Условия, влияющие на скорость химической реакции

1. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ.

П р и м е р ы.

Металлический натрий, имеющий щелочную природу, бурно реагирует с водой с выделением большого количества теплоты, в отличие от цинка, имеющего амфотерную природу, который реагирует с водой медленно и при нагревании:

Порошкообразное железо более энергично взаимодействует с сильной минеральной соляной кислотой, чем со слабой органической уксусной кислотой:

2. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, находящихся в растворенном или газообразном состоянии.

П р и м е р ы.

В чистом кислороде сера горит более энергично, чем на воздухе:

С 30%-м раствором соляной кислоты порошкообразный магний реагирует более энергично, чем с 1%-м ее раствором:

3. Скорость химической реакции прямо пропорциональна площади поверхности реагирующих веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии.

П р и м е р ы.

Кусок древесного угля (углерод) очень трудно поджечь спичкой, но древесная угольная пыль сгорает со взрывом:

С + О 2 = СО 2 .

Алюминий в виде гранулы не реагирует с кристаллом йода количественно, но измельченный йод энергично соединяется с алюминием в виде пудры:

4. Скорость химической реакции зависит от температуры, при которой происходит процесс.

П р и м е р.

При повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза. Конкретное увеличение скорости химической реакции определяется особым температурным коэффициентом (гамма).

Рассчитаем, во сколько раз возрастет скорость реакции:

2NO + O 2 = 2NO 2 ,

если температурный коэффициент равен 3, а температура процесса возросла с 10 °С до 50 °С.

Изменение температуры составляет:

t = 50 °С – 10 °С = 40 °С.

Используем формулу:

где – скорость химической реакции при повышенной температуре, – скорость химической реакции при начальной температуре.

Следовательно, скорость химической реакции при повышении температуры с 10 °С до 50 °С возрастет в 81 раз.

5. Скорость химической реакции зависит от присутствия некоторых веществ.

Катализатор – это вещество, ускоряющее ход химической реакции, но само в процессе реакции не расходующееся. Катализатор понижает активационный барьер химической реакции.

Ингибитор – это вещество, замедляющее ход химической реакции, но само в процессе реакции не расходующееся.

П р и м е р ы.

Катализатором, ускоряющим ход данной химической реакции, является оксид марганца(IV).

Катализатором, ускоряющим ход данной химической реакции, является красный фосфор.

Ингибитором, замедляющим ход данной химической реакции, является вещество органической природы – уротропин (гексаметилентетрамин).

Скорость гомогенной химической реакции измеряется числом молей вещества, вступившего в реакцию или образовавшегося в результате реакции за единицу времени в единице объема:

где гомог – скорость химической реакции в гомогенной системе, – число молей одного из вступивших в реакцию или одного из образовавшихся в результате реакции веществ, V – объем,
t – время, – изменение числа молей вещества за время реакции t .

Поскольку отношение числа молей вещества к объему системы представляет собой концентрацию с , то

Следовательно:

Скорость гомогенной химической реакции измеряется в моль/(л с).

Учитывая это, можно дать следующее определение:

скорость гомогенной химической реакции равна изменению концентрации одного из вступивших в реакцию или одного из образующихся в результате реакции веществ в единицу времени.

Если реакция протекает между веществами в гетерогенной системе, то реагирующие вещества соприкасаются между собой не во всем объеме, а только на поверхности твердого тела. Так, например, при горении кусочка кристаллической серы молекулы кислорода реагируют только с теми атомами серы, которые находятся на поверхности кусочка. При измельчении кусочка серы площадь реагирующей поверхности возрастает, и скорость горения серы увеличивается.

В связи с этим определение скорости гетерогенной химической реакции следующее:

скорость гетерогенной химической реакции измеряется числом молей вещества, вступившего в реакцию или образовавшегося в результате реакции в единицу времени на единице поверхности:

где S – площадь поверхности.

Скорость гетерогенной химической реакции измеряется в моль/(см 2 с).

Задачи по теме
«Химическая термодинамика и кинетика»

1. В сосуд для проведения химических реакций ввели 4 моль оксида азота(II) и избыток кислорода. Через 10 с количество вещества оксида азота(II) оказалось равным 1,5 моль. Найдите скорость данной химической реакции, если известно, что объем сосуда равен 50 л.

2. Количество вещества метана в сосуде для проведения химических реакций равно 7 моль. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Опытным путем было установлено, что через 5 с количество вещества метана уменьшилось в 2 раза. Найдите скорость данной химической реакции, если известно, что объем сосуда равен 20 л.

3. Начальная концентрация сероводорода в сосуде для сжигания газов была равна 3,5 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 15 с концентрация сероводорода составила 1,5 моль/л. Найдите скорость данной химической реакции.

4. Начальная концентрация этана в сосуде для сжигания газов была равна 5 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 12 с концентрация этана составила 1,4 моль/л. Найдите скорость данной химической реакции.

5. Начальная концентрация аммиака в сосуде для сжигания газов была равна 4 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 3 с концентрация аммиака составила 1 моль/л. Найдите скорость данной химической реакции.

6. Начальная концентрация оксида углерода(II) в сосуде для сжигания газов была равна 6 моль/л. В сосуд ввели избыток кислорода и смесь взорвали. Через 5 с концентрация оксида углерода(II) уменьшилась вдвое. Найдите скорость данной химической реакции.

7. Кусочек серы с площадью реагирующей поверхности 7 см 2 сожгли в кислороде с образованием оксида серы(IV). За 10 с количество вещества серы уменьшилось с 3 моль до 1 моль. Найдите скорость данной химической реакции.

8. Кусочек углерода с площадью реагирующей поверхности 10 см 2 сожгли в кислороде с образованием оксида углерода(IV). За 15 с количество вещества углерода уменьшилось с 5 моль до 1,5 моль. Найдите скорость данной химической реакции.

9. Кубик магния с общей площадью реагирующей поверхности 15 см 2 и количеством вещества
6 моль сожгли в избытке кислорода. При этом через 7 с после начала реакции количество вещества магния оказалось равным 2 моль. Найдите скорость данной химической реакции.

10. Брусок из кальция с общей площадью реагирующей поверхности 12 см 2 и количеством вещества 7 моль сожгли в избытке кислорода. При этом через 10 с после начала реакции количество вещества кальция оказалось в 2 раза меньше. Найдите скорость данной химической реакции.

Решения и ответы

1 (NO) = 4 моль,

О 2 – избыток,

t 2 = 10 c,

t 1 = 0 c,

2 (NO) = 1,5 моль,

Найти:

Решение

2NO + О 2 = 2NO 2 .

Используя формулу:

Р-ции = (4 – 1,5)/(50 (10 – 0)) = 0,005 моль/(л с).

Ответ . р-ции = 0,005 моль/(л с).

2.

1 (CH 4) = 7 моль,

О 2 – избыток,

t 2 = 5 c,

t 1 = 0 c,

2 (CH 4) = 3,5 моль,

Найти :

Решение

CH 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

Р-ции = (7 – 3,5)/(20 (5 – 0)) = 0,035 моль/(л с).

Ответ . р-ции = 0,035 моль/(л с).

3.

с 1 (H 2 S) = 3,5 моль/л,

О 2 – избыток,

t 2 = 15 c,

t 1 = 0 c,

с 2 (H 2 S) = 1,5 моль/л.

Найти:

Решение

2H 2 S + 3О 2 = 2SО 2 + 2Н 2 О.

Используя формулу:

найдем скорость данной химической реакции:

Р-ции = (3,5 – 1,5)/(15 – 0) = 0,133 моль/(л с).

Ответ . р-ции = 0,133 моль/(л с).

4.

с 1 (С 2 H 6) = 5 моль/л,

О 2 – избыток,

t 2 = 12 c,

t 1 = 0 c,

c 2 (С 2 H 6) = 1,4 моль/л.

Найти:

Решение

2С 2 H 6 + 7О 2 = 4СО 2 + 6Н 2 О.

найдем скорость данной химической реакции:

Р-ции = (6 – 2)/(15 (7 – 0)) = 0,0381 моль/(см 2 с).

Ответ . р-ции = 0,0381 моль/(см 2 с).

10. Ответ. р-ции = 0,0292 моль/(см 2 с).

Литература

Глинка Н.Л. Общая химия, 27-е изд. Под ред. В.А.Рабиновича. Л.: Химия, 1988; Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1981; Зайцев О.С. Общая химия. М.: Высш. шк, 1983; Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1981; Корольков Д.В. Основы неорганической химии. М.: Просвещение, 1982; Некрасов Б.В. Основы общей химии. 3-е изд., М.: Химия, 1973; Новиков Г.И. Введение в неорганическую химию. Ч. 1, 2. Минск: Вышэйш. шк., 1973–1974; Щукарев С.А . Неорганическая химия. Т. 1, 2. М.: Высш. шк., 1970–1974; Шретер В., Лаутеншлегер К.-Х., Бибрак Х. и др. Химия. Справочное изд. Пер. с нем. М.: Химия, 1989; Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия-9. Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение, 1990; Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия-9. Учебник для 9 класса средней школы. М.: Просвещение, 1992.

Разрыв химических связей сопровождается поглощением определенного количества энергии (эндотермическая реакция), а образование связи – выделением энергии (экзотермическая реакция). В зависимости от соотношения этих количеств в результате химической реакции энергия выделяется или поглощается. Оба типа реакций являются идут в соответствии со вторым началом термодинамики для открытых систем. Экзотермические реакции порождают хаос, допуская утечку энергии в окружающую среду, но при этом понижают энтропию внутри системы, создавая новую более сложную структуру. Эндотермические реакции понижают энтропию в окружающей среде и за счет энергии взятой извне увеличивают хаос внутри системы.

Основными направлениями современной химии являются кинетика и термодинамика химических реакций, которые позволяют теоретически объяснить эффективность и скорость протекания реакций. В соответствии с господствующей теорией «соударения», эффективность и скорость реакции зависят от концентрации реагирующих веществ и кинетической энергии хаотичного движения их молекул. Однако высокая эффективность и скорость многих реакций имеет место и при низких концентрациях и пониженной температуре. В этом случае эффективность обеспечивается наличием в реакционной смеси катализатора - вещества, ускоряющего химическую реакцию, но не входящее в состав ее конечных продуктов. Например. Механизм действия катализатора К в реакции А+В=АВ можно схематически показать так: 1) А+ К = А К ; 2) А К .+В=АВ+ К . При этом взаимодействие реагирующих веществ с катализаторами не обязательно имеет химическую природу. Эффективность реакций в живых клетках ограничена достаточно низкими температурами, связными с сохранением белковой структуры и низкими концентрациями реагирующих веществ, поэтому все клеточные реакции являются каталитическими . Роль катализаторов большинства реакций в живых клетках играют белки - ферменты. В основе механизма работы многих ферментов лежит соответствие его пространственной структуры и пространственных структур реагирующих веществ по принципу «ключа» - «замочной скважины». Как правило, ферменты являются высокоспецифичными и обеспечивают только одну или несколько однотипных реакций.

Все химические реакции делятся на два типа: обратимые и необратимые. Необратимые реакции протекают только в одном направлении – образование продуктов реакции и идут до полного

расходования хотя бы одного из реагирующих веществ.

В ходе обратимых реакций ни одно из реагирующих веществ не расходуется полностью. Обратимыми называют реакции, которые одновременно протекают в прямом и обратном направлении.

Состояние обратимой реакции, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называется химическим равновесием. В равновесном состоянии прямая и обратная реакции не прекращаются. Но так как их скорости при этом равны, то видимых изменений в системе не происходит: концентрации всех реагирующих веществ остаются постоянными. Изучение термодинамики обратимых и необратимых химических реакций показало, что динамическое равновесие обратимых реакций может быть смещено, и направление этого смещения определяется принципом французского ученого Ле-Шателье. Если на систему, находящуюся в состоянии динамического равновесия оказать внешнее воздействие (изменить концентрацию, температуру, давление), то равновесие смещается в сторону той реакции, которая противодействует этому воздействию. На этом принципе базируется саморегуляция равновесия не только химических реакций, но и любых других открытых систем.

Во многих химических реакциях сначала образуется небольшое вещество активных атомов или свободных радикалов, быстро реагирующих с молекулами исходных веществ, затем они снова образуются так, что их концентрация не меняется. Получается, что одна такая частица может вызвать цепь повторяющихся неразветвленных и разветвленных реакций (цепных реакций).

Кинетика и термодинамика различных типов химических реакций легли в основу таких направлений современной химии, как химическая эволюция и самоуправляемые сложные химические реакции. Создавая комплекс определенных физических условий, источников энергии и катализаторов, можно добиться того, что смесь определенных простых веществ путем последовательности неконтролируемых человеком химических реакций с образованием промежуточных соединений, придет к созданию нужного нам конечного продукта. Таким образом, в условиях ультрафиолетового облучения периодических электрических разрядов, из смеси водорода, аммиака, метана, окиси углерода, углекислого газа, сероводорода и минимальных количеств кислорода, удалось получить самопроизвольный синтез аминокислот, сахаров, азотистых оснований и более сложных органических соединений. Например - предшественники ферментов и хлорофилл растений. Все это в принципе доказывает возможность появления сложных органических соединений из неорганических простых веществ путем самопроизвольной химической эволюции.

Основные понятия и законы химии. Химическая связь. Строение и свойства вещества

1. Какие вещества называют простыми? Сложными? Из приведенных веществ выберите простые: СО, О 3 , СаО, К, Н 2 , Н 2 О.

2. Какие вещества называют оксидами? Кислотами? Основаниями? Солями?

3. Из приведенных оксидов – SO 2 , CaO, ZnO, Cr 2 O 3 , CrO, P 2 O 5 , CO 2 , Cl 2 O 3 , Al 2 O 3 – выберите основные, кислотные и амфотерные.

4. Какие соли относят к кислым, основным, средним, двойным, смешанным, комплексным?

5. Назовите следующие соединения: ZnOHCl, KHSO 3 , NaAl(SO 4) 2 . К какому классу соединений они относятся?

6. Что называют основностью кислоты?

7. Из приведенных гидроксидов выберите амфотерные: Fe(OH) 2 , KOH, Al(OH) 3 , Ca(OH) 2 , Fe(OH) 3 , Pb(OH) 2 .

8. Что называют схемой реакции? Уравнением реакции?

9. Как называют числа, стоящие в уравнении реакции? Что они показывают?

10. Как перейти от схемы реакции к уравнению?

11. С какими веществами вступают во взаимодействие основные оксиды? Амфотерные оксиды? Кислотные оксиды?

12. С какими веществами вступают во взаимодействие основания?

13. С какими веществами вступают во взаимодействие кислоты?

14. С какими веществами вступают во взаимодействие соли?

15. Определите массовые доли элементов в азотной кислоте HNO 3.

16. Какие металлы взаимодействуют с щелочами?

17. Какие металлы взаимодействуют с растворами серной и соляной кислот?

18. Какие продукты образуются при взаимодействии металлов с азотной кислотой различной концентрации?

19. Какие реакции называют реакциями разложения? Соединения? Замещения? Окислительно-восстановительными?

20. Составьте уравнения реакций: CrCl 3 + NaOH→; CrCl 3 + 2NaOH→; CrCl 3 + 3NaOH→; CrCl 3 + NaOH (избыток) →.

21. Составьте уравнения реакций: Al + KOH →; Al + KOH + Н 2 О →.

22. Что называют атомом? Химическим элементом? Молекулой?

23. Какие элементы относят к металлам? Неметаллам? Почему?

24. Что называют химической формулой вещества? Что она показывает?

25. Что называют структурной формулой вещества? Что она показывает?

26. Что называют количеством вещества?

27. Что называют молем? Что он показывает? Какое количество структурных единиц содержится в моле вещества?

28. Какие массы элементов указаны в Периодической системе?

29. Что называют относительными атомной, молекулярной массами? Как их определяют? Каковы их единицы измерения?

30. Что называют молярной массой вещества? Как ее определяют? Какова ее единица измерения?

31. Какие условия называют нормальными условиями?

32. Какой объем занимает 1 моль газа при н.у.? 5 моль газа при н.у.?

33. Из чего состоит атом?

34. Из чего состоит ядро атома? Какой заряд имеет ядро атома? Чем определяется заряд ядра атома? Чем определяется масса ядра атома?

35. Что называют массовым числом?

36. Что называют энергетическим уровнем? Сколько электронов расположено на отдельном энергетическом уровне?

37. Что называют атомной орбиталью? Как ее изображают?

38. Что характеризует главное квантовое число? Орбитальное квантовое число? Магнитное квантовое число? Спиновое квантовое число?

39. Какова связь между главным и орбитальным квантовыми числами? Между орбитальным и магнитным квантовыми числами?

40. Как называют электроны с = 0? = 1? = 2? = 3? Сколько орбиталей соответствует каждому из данных состояний электрона?

41. Какое состояние атома называют основным? Возбужденным?

42. Сколько электронов может располагаться на одной атомной орбитали? Чем они отличаются?

44. Сколько и какие подуровни могут располагаться на первом энергетическом уровне? На втором? На третьем? На четвертом?

45. Сформулируйте принцип наименьшей энергии, правила Клечковского, принцип Паули, правило Хунда, периодический закон.

46. Что периодически изменяется для атомов элементов?

47. Что общего у элементов одной подгруппы? Одного периода?

48. Чем отличаются элементы главных подгрупп от элементов побочных подгрупп?

49. Составьте электронные формулы ионов Сr +3 , Са +2 , N -3 . Какое количество неспаренных электронов имеют указанные ионы?

50. Какую энергию называют энергией ионизации? Сродством к электрону? Электроотрицательностью?

51. Как изменяются радиусы атомов и ионов в группе и в периоде Периодической системе Д.И. Менделеева?

52. Как изменяются электроотрицательности атомов в группе и в периоде Периодической системе Д.И. Менделеева?

53. Как изменяются металлические свойства элементов и свойства их соединений в группе и в периоде Периодической системе Д.И. Менделеева?

54. Составьте формулы высших оксидов алюминия, фосфора, брома, марганца.

55. Как определяется количество протонов, нейтронов и электронов в атоме?

56. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме цинка?

57. Сколько электронов и протонов содержится в ионах Сr +3 , Са +2 , N -3 ?

58. Сформулируйте закон сохранения массы? Что остается постоянным при протекании любой химической реакции?

59. Какой параметр остается постоянным в изобарных химических реакциях?

60. Сформулируйте закон постоянства состава. Для веществ какой структуры он справедлив?

61. Сформулируйте закон Авогадро и следствия из него.

62. Если плотность газа по азоту составляет 0,8, то какова молярная масса газа?

63. В случае изменения каких внешних параметров изменяется молярный объем газа?

64. Сформулируйте объединенный газовый закон.

65. Для равных объемов разных газов при одних и тех же условиях массы газов будут равны?

66. Сформулируйте закон Дальтона. Если общее давление смеси азота и водорода составляет 6 атм., а объемное содержание водорода 20%, то каковы парциальные давления компонентов?

67. Запишите уравнение Менделеева-Клапейрона (состояния идеального газа).

68. Какую массу имеет смесь газов, состоящая из 11,2 л азота и 11,2 л фтора (н.у.)?

69. Что называют химическим эквивалентом? Молярной массой эквивалента?

70. Как определяют молярные массы эквивалентов простых и сложных веществ?

71. Определите молярные массы эквивалентов следующих веществ: О 2 , Н 2 О, СаСl 2 , Са(ОН) 2 , Н 2 S.

72. Определите эквивалент Bi(OH) 3 в реакции Bi(OH) 3 + HNO 3 = Bi(OH) 2 (NO 3) + H 2 O.

73. Сформулируйте закон эквивалентов.

74. Что называют молярным объемов эквивалента вещества? Как его определяют?

75. Сформулируйте закон объемных отношений.

76. Какой объем кислорода потребуется на окисление 8 м 3 водорода (н.у.) по реакции 2H 2 + O 2 ↔ 2H 2 O?

77. Какой объем хлороводорода образуется при взаимодействии 15 л хлора и 20 л водорода?

78. Что понимают под химической связью? Укажите характеристики химической связи.

79. Что является мерой прочности химической связи?

80. Что влияет на распределение электронной плотности?

81. Что определяет форму молекулы?

82. Что называют валентностью?

83. Определите валентности азота в следующих соединениях: N 2 , NH 3 , N 2 H 4 , NH 4 Cl, NaNO 3 .

84. Что называют степенью окисления?

85. Какую связь называют ковалентной?

86. Укажите свойства ковалентной связи.

87. Как изменяется полярность связи в ряду КI, КBr, КCl, КF?

88. Молекулы какого вещества неполярны: кислород, хлороводород, аммиак, уксусная кислота.

89. Что понимают под гибридизацией валентных орбиталей?

90. Определите типы гибридизации центральных атомов в следующих веществах: фторид бериллия, хлорид алюминия, метан.

91. Как влияет тип гибридизации на пространственное строение молекул?

92. Какую связь называют ионной? Под воздействием каких сил она возникает?

93. Какую связь называют металлической?

94. Какими свойствами обладают вещества с металлическим типом химической связи?

95. Чему равно максимальное число -связей, которое может образовываться между двумя атомами в молекуле?

96. Как определяется абсолютная электроотрицательность атома элемента?

97. Расположите элементы в порядке возрастания их электроотрицательности: Fe, C, Ag, H, Cl.

98. Что называют дипольным моментом связи? Как его рассчитывают?

99. Какими особенностями обладают вещества с атомной кристаллической решеткой? С молекулярной кристаллической решеткой?

100.Какую связь называют водородной? От чего зависит ее прочность? Между молекулами каких неорганических веществ она возникает?

Термодинамика и кинетика химических реакций

1. Что изучает термодинамика?

2. Что называют термодинамической системой? Какие виды систем существуют?

3. Что называют параметрами состояния? Какие параметры называют интенсивными, экстенсивными? Назовите основные параметры химической системы.

4. Что называют процессом? Самопроизвольным процессом? Циклом? Равновесным процессом? Неравновесным процессом? Обратимым процессом?

5. Что называют фазой? Гомогенной, гетерогенной системой?

6. Что называют функцией состояния?

7. Что характеризует внутренняя энергия U? От чего зависит внутренняя энергия?

8. Что называют теплотой Q? Какие реакции являются экзотермическими, эндотермическими? Как при их протекании изменяется теплота и энтальпия?

9. Что называют работой p∆V?

10. Сформулируйте первый закон термодинамики. Запишите его математически.

11. Сформулируйте первый закон термодинамики для изотермического, изохорного и изобарного процессов.

12. Что называют энтальпией?

13. Что называют тепловым эффектом реакции? От чего зависит тепловой эффект реакции?

14. Какое уравнение называют термодинамическим? Термохимическим?

15. Какие условия называют стандартными?

16. Что называют энтальпией реакции? Стандартной энтальпией реакции?

17. Что называют энтальпией образования вещества? Стандартной энтальпией образования вещества?

18. Какое состояние вещества является стандартным? Чему равна энтальпия образования простого вещества в стандартном состоянии?

19. Энтальпия образования H 2 SO 3 по величине равна тепловому эффекту реакции: H 2(г) + S (тв) + 1,5О 2(г) H 2 SO 3(ж) ; H 2(г) + SО 2(г) + 0,5О 2(г) H 2 SO 3(ж) ; H 2 О (г) + SО 2(г) H 2 SO 3(ж) ; 2H (г) + S (тв) + 3О (г) H 2 SO 3(ж) .

20. При взаимодействии 1 моля водорода и 1 моля брома выделилось 500 кДж тепла. Чему равна ∆Н обр, HBr ?

21. При образовании 5 молей вещества А х В у поглотилось 500 кДж тепла. Чему равна ∆Н обр этого вещества?

22. Что называют энтальпией сгорания? Стандартной энтальпией сгорания? Теплотворной способностью?

23. Сформулируйте закон Гесса, первое и второе следствия из него.

24. Какое выражение применимо для расчета ∆Н р реакции 2А + 3В 2С по следствию закона Гесса:

∆Н р = 2∆Н обр, С + 2∆Н обр, А + 3∆Н обр, В; ∆Н р = 2∆Н обр, С – (2∆Н обр, А + 3∆Н обр, В);

∆Н р = 2∆Н обр, А + 3∆Н обр, В –2∆Н обр, С; ∆Н р = – 2∆Н обр, С – (2∆Н обр, А + 3∆Н обр, В)?

25. Стандартная энтальпия сгорания (∆Н 0 сгор) метанола СН 4 О (ж) (М = 32 г/моль) равна -726,6 кДж/моль. Какое количество тепла выделится при сгорании 2,5 кг вещества?

26. В каком случае стандартная энтальпия сгорания одного вещества равна стандартной энтальпии образования другого вещества?

27. Для каких веществ стандартная энтальпия сгорания равна нулю: СО, СО 2 , Н 2 , О 2 ?

28. Для реакции 2Cl 2(г) + 2H 2 O (ж) 4HCl (г) + О 2(г) рассчитайте стандартную энтальпию (кДж), если известны стандартные энтальпии образования веществ:

29. ∆Н = -1410,97 кДж/моль; ∆Н = -2877,13 кДж/моль. Какое количество теплоты выделится при совместном сжигании 2 моль этилена и 4 моль бутана?

30. ∆Н = -1410,97 кДж/моль; ∆Н = -2877,13 кДж/моль. Какое количество теплоты выделится при сжигании 0,7 кг газовой смеси, состоящей из 20% этилена и 80% бутана?

31. Стандартная энтальпия реакции MgCO 3(тв) → MgO (тв) + СО 2(г) равна 101,6 кДж; стандартные энтальпии образования MgO (тв) и СО 2(г) : -601,0 и -393,5 кДж/моль соответственно. Чему равна стандартная энтальпия образования карбоната магния MgСO 3 ?

32. Что называют термодинамической вероятностью системы? Что называют энтропией? Как энтропия выражается через термодинамическую вероятность?

33. Сформулируйте второй закон термодинамики.

34. Что называют стандартной энтропией вещества?

35. Сформулируйте третье начало термодинамики (постулат Планка).

36. Что называют энтропией реакции? Стандартной энтропией реакции?

37. Какое выражение применимо для расчета ∆S р реакции CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2:

∆S р = S + S + S + S ; ∆S р = S + S + 2S + 2S ;

∆S р = 2S + 2S – S + S ; ∆S р = 2S + 2S – S – S ?

38. Для реакции 2Cl 2(u) + 2H 2 O (ж) 4HCl (г) + О 2(г) рассчитайте стандартную энтропию (Дж/К), если известны стандартные энтропии образования веществ:

39. Что называют свободной энергией Гиббса? Какова ее связь с другими термодинамическими функциями?

40. Как по знаку энергии Гиббса реакции определяют направление реакции?

41. При каких температурах возможна реакция, если ∆H<0, ∆S>0; ∆H<0, ∆S<0; ∆H>0, ∆S>0; ∆H>0, ∆S<0.

42. Как определяют равновесную температуру процесса?

43. Что называют энергия Гиббса реакции ∆G р? Стандартной энергией Гиббса реакции?

44. Какое выражение применимо для расчета ∆G р реакции 4NH 3(г) + 5O 2(г) 4NO (г) + 6H 2 О (ж)

∆G р = ∆G 4 + ∆G 5 + ∆G 4 + ∆G 6 ; ∆G р = ∆G + ∆G + ∆G + ∆G ;

∆G р = 4∆G + 5∆G - 4∆G - 6∆G ; ∆G р = 4∆G + 6∆G - 4∆G - 5∆G ?

45. Для реакции HNO 3(ж) + HNO 2(ж) 2NO 2(г) + H 2 O (ж) рассчитайте стандартную энергию Гиббса (кДж), если известны стандартные энергии Гиббса образования веществ:

46. Для реакции Fe (тв) + Al 2 O 3(тв) → Al (тв) + Fe 2 O 3(тв) определите равновесную температуру и возможность протекания процесса при 125 0 С, если ∆Н = 853,8 кДж/моль; ∆S = 37,68 Дж/моль·K.

47. Что понимают под скоростью химической реакции?

48. Сформулируйте закон действующих масс.

49. За 40 с в результате двух реакций Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1) и Zn + 2HBr = ZnBr 2 + H 2 (2) образовалось по 8 г хлорида и бромида цинка. Сравните скорости реакций.

50. Если в реакции 3Fe(NO 3) 2(р-р) + 4HNO 3 = 3Fe(NO 3) 3(р-р) + NO (г) + 2H 2 O (ж) концентрацию Fe(NO 3) 2 увеличить в 7 раза, а концентрацию HNO 3 в 4 раза, то как изменится скорость реакции?

51. Составьте кинетическое уравнение реакции Sb 2 S 3(тв) + 3Н 2(г) 2Sb (тв) + 3H 2 S (г) .

52. Как определяется скорость многостадийной реакции?

53. Как изменится скорость прямой реакции СО (г) + 3Н 2(г) СН 4(г) + Н 2 О (г) при увеличении давления системы в 3 раза?

54. Что называют константой скорость? От чего она зависит?

55. Что называют энергией активации? От чего она зависит?

56. Константа скорости некоторой реакции при температуре 310 К равна 4,6∙10 -5 л·моль -1 ·с -1 , а при температуре 330 К 6,8∙10 -5 л·моль -1 ·с -1 . Чему равна энергия активации равна?

57. Энергия активации некоторой реакции равна 250 кДж/моль. Как изменится константа скорости при изменении температуры проведения реакции от 320 К до 340 К?

58. Запишите уравнение Аррениуса и правило Вант-Гоффа.

59. Энергия активации реакции (1) равна 150 кДж/моль, энергия активации реакции (2) равна 176 кДж/моль. Сравните константы скорости k 1 и k 2 .

60. Чем объяснить повышение скорости реакции с повышением температуры?

61. Что называют температурным коэффициентом реакции?

62. Чему равен температурный коэффициент реакции, если константа скорости некоторой реакции при 283 и 308 К составляет соответственно 1,77 и 7,56 л·моль -1 ·с -1 ?

63. При температуре 350 К реакция закончилась за 3 с, а при температуре 330 К – за 28 с. За какое время она закончится при температуре 310 К?

64. Как влияет энергия активации на температурный коэффициент реакции?

65. Что называют катализатором? Ингибитором? Промотором? Каталитическим ядом?

66. Что называют химическим равновесием? До каких пор в системе сохраняется равновесное состояние?

67. Как связаны скорости прямой и обратной реакций в момент равновесия?

68. Что называют константой равновесия? От чего она зависит?

69. Выразите константу равновесия реакций 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 ; Sb 2 S 3(тв) + 3Н 2 ↔ 2Sb (тв) + 3Н 2 S (г) .

70. При некоторой температуре константа равновесия реакции N 2 O 4 ↔ 2NO 2 равна 0,16. В исходном состоянии NO 2 не было, а равновесная концентрация NO 2 составила 0,08 моль/л. Чему будут равны равновесная и исходная концентрация N 2 O 4 ?

71. Сформулируйте принцип Ле Шателье. Как влияют на смешение равновесия изменение температуры, концентрации, общего давления?

72. Химическое динамическое равновесие в системе установилось при 1000 К и давлении 1 атм., когда в результате реакции Fe (тв) + СО 2(г) ↔ FeO (тв) + СО (г) парциальное давление углекислого газа стало равно 0,54 атм. Чему равна константа равновесия К р этой реакции?

73. Равновесные концентрации (моль/л) компонентов газофазной системы, в которой происходила реакция

3N 2 H 4 ↔ 4NH 3 + N 2 , равны: =0,2; =0,4; =0,25. Чему равна константа равновесия обратимой

74. Равновесные концентрации (моль/л) компонентов газофазной системы, в которой происходит реакция

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 , равны: =0,12; =0,14; =0,1. Определите исходные концентрации N 2 и H 2 .

75. Равновесные концентрации компонентов газовой фазы системы, в которой происходит реакция

С (тв) + СО 2 ↔ 2СО при 1000 К и Р общ = 1 атм., равны CО 2 - 17% об. и СО - 83% об. Чему равна константа

равновесия реакции?

76. Константа равновесия К с обратимой газофазной реакции СН 4 + Н 2 О ↔ СО + 3Н 2 при некоторой температуре равна 9,54 моль 2 ·л -2 . Равновесные концентрации метана и воды равны соответственно 0,2 моль/л и 0,4 моль/л. Определите равновесные концентрации СО и Н 2 .

77. Запишите взаимосвязь константы равновесия К р и энергии Гиббса ∆G обратимой реакции, протекающей в изотермических условиях.

78. Определите константа равновесия К р газофазной обратимой реакции COCl 2 ↔ CO + Cl 2 ; ∆H 0 = 109,78 кДж,

∆S 0 = 136,62 Дж/К при 900 К.

79. Константа равновесия К р газофазной реакции PCl 3 + Cl 2 ↔ PCl 5 ; ∆Н 0 = -87,87 кДж при 450 К равна 40,29 атм -1 . Определите энергия Гиббса этого процесса (Дж/К).

80. Запишите связь между К р и К с обратимой газофазной реакции 2СО + 2Н 2 ↔ СН 4 + СО 2 .

Похожая информация.

Скорость химических реакций. Определение понятия. Факторы, влияющие на скорость химической реакции: концентрация реагента, давление, температура, присутствие катализатора. Закон действующих масс (ЗДМ) как основной закон химической кинетики. Константа скорости, ее физический смысл. Влияние на константу скорости реакции природы реагирующих веществ, температуры и присутствия катализатора.

1. с. 102-105; 2. с. 163-166; 3. с. 196-207, с. 210-213; 4. с. 185-188; 5. с. 48-50; 6. с. 198-201; 8. с. 14-19

Скорость гомогенной реакции - это величина, численно равная изменению концентрации любого участника реакции в единицу времени.

Средняя скорость реакции v ср в интервале времени от t 1 до t 2 определяется соотношением:

Основные факторы, влияющие на скорость гомогенной химической реакции:

- природа реагирующих веществ;

- концентрация реагента;

- давление (если в реакции участвуют газы);

- температура;

- наличие катализатора .

Скорость гетерогенной реакции - это величина, численно равная изменению концентрации любого участника реакции в единицу времени на единице поверхности: .

По стадийности химические реакции подразделяются на элементарные и сложные . Большинство химических реакций представляют собой сложные процессы, протекающие в несколько стадий, т.е. состоящие из нескольких элементарных процессов.

Для элементарных реакций справедлив закон действующих масс : скорость элементарной химической реакции при данной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам уравнения реакции.

Для элементарной реакции аА + bB → ... скорость реакции, согласно закону действующих масс, выражается соотношением:

гдес(А) и с(В) - молярные концентрации реагирующих веществ А и В; a и b - соответствующие стехиометрические коэффициенты; k – константа скоростиданной реакции.

Для гетерогенных реакций в уравнение закона действующих масс входят концентрации не всех реагентов, а только газообразных или растворенных. Так, для реакции горения углерода:

С(к) + О 2 (г) → СО 2 (г)

уравнение скорости имеет вид .

Физический смысл константы скорости – она численно равна скорости химической реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных 1 моль/дм 3 .

Величина константы скорости гомогенной реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора.

Влияние температуры на скорость химической реакции. Температурный коэффициент скорости химической реакции. Активные молекулы. Кривая распределения молекул по их кинетической энергии. Энергия активации. Соотношение величин энергии активации и энергии химической связи в исходных молекулах. Переходное состояние, или активированный комплекс. Энергия активации и тепловой эффект реакции (энергетическая схема). Зависимость температурного коэффициента скорости реакции от величины энергии активации.

1. с. 106-108; 2. с. 166-170; 3. с. 210-217; 4. с. 188-191; 5. с. 50-51; 6. с. 202-207; 8 . с. 19-21.

При увеличении температуры скорость химической реакции обычно возрастает.

Величина, показывающая во сколько раз увеличивается скорость реакции при увеличении температуры на 10 градусов (или, что то же самое, на 10 К), называется температурным коэффициентом скорости химической реакции (γ) :

где - скорости реакции соответственно при температурах Т 2 и Т 1 ; γ - температурный коэффициент скорости реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры приближенно определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа : при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза.

Более точное описание зависимости скорости реакции от температуры осуществимо в рамках теории активации Аррениуса. Согласно этой теории, химическая реакция может происходить только при столкновении активных частиц. Активными называются частицы, которые обладают определенной, характерной для данной реакции, энергией, необходимой для преодоления сил отталкивания, возникающих между электронными оболочками реагирующих частиц.

Доля активных частиц возрастает при увеличении температуры.

Активированный комплекс - это промежуточная неустойчивая группировка, образующаяся при столкновении активных частиц и находящаяся в состоянии перераспределения связей . Продукты реакции образуются при распаде активированного комплекса.

Энергия активации Е а равна разности между средней энергией реагирующих частиц и энергией активированного комплекса .

Для большинства химических реакций энергия активации меньше энергии диссоциации наименее прочной связи в молекулах реагирующих веществ.

В теории активации влияние температуры на скорость химической реакции описывается уравнением Аррениуса для константы скорости химической реакции:

где А – постоянный множитель, не зависящий от температуры, определяющийся природой реагирующих веществ; е - основание натурального логарифма; Е а – энергия активации; R – молярная газовая постоянная.

Как следует из уравнения Аррениуса, константа скорости реакции тем больше, чем меньше энергия активации. Даже небольшое снижение энергии активации (например, при внесении катализатора) приводит к заметному возрастанию скорости реакции.

По уравнению Аррениуса, увеличение температуры приводит к увеличению константы скорости химической реакции. Чем больше величина Е а, тем заметнее влияние температуры на скорость реакции и, значит, тем больше температурный коэффициент скорости реакции.

Влияние катализатора на скорость химической реакции. Гомогенный и гетерогенный катализ. Элементы теории гомогенного катализа. Теория промежуточных соединений. Элементы теории гетерогенного катализа. Активные центры и их роль в гетерогенном катализе. Понятие об адсорбции. Влияние катализатора на энергию активации химической реакции. Катализ в природе, промышленности, технике. Биохимический катализ. Ферменты.

1. с. 108-109; 2. с. 170-173; 3. с. 218-223; 4 . с. 197-199; 6. с. 213-222; 7. с. 197-202.; 8. с. 21-22.

Катализом называется изменение скорости химической реакции под действием веществ, количество и природа которых после завершения реакции остаются такими же, как и до реакции .

Катализатор - это вещество, изменяющее скорость химической реакции и остающееся после нее химически неизменным.

Положительный катализатор ускоряет реакцию; отрицательный катализатор , или ингибитор , замедляет реакцию.

В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. Каждый из промежуточных процессов с участием катализатора протекает с меньшей энергией активации, чем некатализируемая реакция.

При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (раствор). При гетерогенном катализе катализатор (обычно твердое вещество) и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

В ходе гомогенного катализа катализатор образует с реагентом промежуточное соединение, с большой скоростью реагирующее со вторым реагентом или быстро разлагающееся с выделением продукта реакции.

Пример гомогенного катализа: окисление оксида серы(IV) до оксида серы(VI) кислородом при нитрозном способе получения серной кислоты (здесь катализатором является оксид азота(II), легко реагирующий с кислородом).

При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности катализатора. Начальными стадиями являются диффузия частиц реагентов к катализатору и их адсорбция (т. е. поглощение) поверхностью катализатора. Молекулы реагента взаимодействуют с атомами или группами атомов, находящимися на поверхностим катализатора, образуя промежуточные поверхностные соединения . Перераспределение электронной плотности, происходящее в таких промежуточных соединениях, приводит к образованию новых веществ, которые десорбируются , т. е. удаляются с поверхности.

Процесс образования промежуточных поверхностных соединений происходит на активных центрах катализатора - на участках поверхности, характеризуюшихся особым распределением электронной плотности.

Пример гетерогенного катализа: окисление оксида серы(IV) до оксида серы(VI) кислородом при контактном способе получения серной кислоты (здесь катализатором может быть оксид ванадия(V) с добавками).

Примеры каталитических процессов в промышленности и технике: синтез аммиака, синтез азотной и серной кислот, крекинг и риформинг нефти, дожиг продуктов неполного сгорания бензина в автомобилях и т. д.

Примеры каталитических процессов в природе многочисленны, поскольку большинство биохимических реакций - химических реакций, протекающих в живых организмах - относятся к числу каталитических реакций. Катализаторами таких реакций являются белковые вещества, называемые ферментами . В организме человека находится около 30 тыс. ферментов, каждый из которых катализирует прохождение только одного процесса или одного типа процессов (например, птиалин слюны катализирует превращение крахмала в сахар).

Химическое равновесие. Обратимые и необратимые химические реакции. Состояние химического равновесия. Константа химического равновесия. Факторы, определяющие величину константы равновесия: природа реагирующих веществ и температура. Сдвиг химического равновесия. Влияние изменения концентрации, давления и температуры на положение химического равновесия.

1. с. 109-115; 2. с. 176-182; 3 . с. 184-195, с. 207-209; 4. с.172-176, с. 187-188; 5. с. 51-54; 8 . с. 24-31.

Химические реакции, в результате которых исходные вещества полностью превращаются в продукты реакции, называются необратимыми . Реакции, идущие одновременно в двух противоположных направлениях (прямом и обратном), называются обратимыми .

В обратимых реакциях состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны (), называется состоянием химического равновесия . Химическое равновесие является динамическим , т. е. его установление не означает прекращение реакции. В общем случае для любой обратимой реакции аА + bB ↔ dD + eE, независимо от ее механизма, выполняется соотношение:

При установившемся равновесии произведение концентраций продуктов реакции, отнесенное к произведению концентраций исходных веществ, для данной реакции при данной температуре представляет собой постоянную величину, называемую константой равновесия (К ).

Величина константы равновесия зависит от природы реагирующих веществ и температуры, но не зависит от концентраций компонентов равновесной смеси.

Изменение условий (температуры, давления, концентрации), при которых система находится в состоянии химического равновесия (), вызывает нарушение равновесия. В результате неодинакового изменения скоростей прямой и обратной реакций () c течением времени в системе устанавливается новое химическое равновесие (), соответствующее новым условиям. Переход из одного равновесного состояния в другое называется сдвигом, или смещением, положения равновесия .

Если при переходе из одного равновесного состояние в другое увеличиваются концентрации веществ, записанных в правой части уравнения реакции, говорят, что равновесие смещается вправо . Если же при переходе из одного равновесного состояние в другое увеличиваются концентрации веществ, записанных в левой части уравнения реакции, говорят, что равновесие смещается влево .

Направление смещения химического равновесия в результате изменения внешних условий определяется принципом Ле-Шателье : Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать внешнее воздействие, то оно будет благоприятствовать протеканию того из двух противоположных процессов, который ослабляет это воздействие.

Согласно принципу Ле-Шателье,

Увеличение концентрации компонента, записанного в левой части уравнения, приводит к смещению равновесия вправо; увеличение концентрации компонента, записанного в правой части уравнения, приводит к смещению равновесия влево;

При увеличении температуры равновесие смещается в сторону протекания эндотермической реакции, а при уменьшении температуры - в сторону протекания экзотермической реакции;

При увеличении давления равновесие смещается в сторону реакции, уменьшающей число молекул газообразных веществ в системе, а при уменьшении давления - в сторону реакции, увеличивающей число молекул газообразных веществ.

Фотохимические и цепные реакции. Особенности протекания фотохимических реакций. Фотохимические реакции и живая природа. Неразветвленные и разветвленные химические реакции (на примере реакций образования хлороводорода и воды из простых веществ). Условия зарождения и обрыва цепей.

2. с. 173-176; 3. с. 224-226; 4. 193-196; 6. с. 207-210; 8. с. 49-50.

Фотохимические реакции - это реакции, проходящие под действием света. Фотохимическая реакция протекает, если реагент поглощает кванты излучения, характеризующиеся вполне определенной для данной реакции энергией.

В случае одних фотохимических реакций, поглощая энергию, молекулы реагента переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся активными.

В других случаях фотохимическая реакция протекает, если поглощаются кванты настолько большой энергии, что химические связи разрываются и происходит диссоциация молекул на атомы или группы атомов.

Скорость фотохимической реакции тем больше, чем больше интенсивность облучения.

Пример фотохимической реакции в живой природе: фотосинтез , т.е. образование организмами органических веществ клеток благодаря энергии света. У большинства организмов фотосинтез проходит при участии хлорофилла; в случае высших растений фотосинтез суммарно выражается уравнением:

CO 2 + H 2 O органическое вещество + О 2

В основе функционирования зрения тоже лежат фотохимические процессы.

Цепная реакция - реакция, представляющая собой цепь элементарных актов взаимодействия, причем возможность протекания каждого акта взаимодействия зависит от успешности прохождения предыдущего акта .

Стадии цепной реакции:

Зарождение цепи,

Развитие цепи,

Обрыв цепи.

Зарождение цепи происходит, когда за счет внешнего источника энергии (кванта электромагнитного излучения, нагревания, электрического разряда) образуются активные частицы с неспаренными электронами (атомы, свободные радикалы).

В ходе развития цепи радикалы взаимодействуют с исходными молекулами, причем в каждом акте взаимодействия образуются новые радикалы.

Обрыв цепи наступает, если два радикала сталкиваются и передают выделяющуюся при этом энергию третьему телу (молекуле, устойчивой к распаду, или стенке сосуда). Цепь также может оборваться, если образуется малоактивный радикал.

Два типа цепных реакций: неразветвленные и разветвленные.

В неразветвленных реакциях на стадии развития цепи из одного реагирующего радикала образуется один новый радикал.

В разветвленных реакциях на стадии развития цепи из одного реагирующего радикала образуется более одного новых радикалов.

6. Факторы, определяющие направление протекания химической реакции. Элементы химической термодинамики. Понятия: фаза, система, среда, макро- и микросостояния. Основные термодинамические характеристики. Внутренняя энергия системы и ее изменение в ходе химических превращений. Энтальпия. Соотношение энтальпии и внутренней энергии системы. Стандартная энтальпия вещества. Изменение энтальпии в системах в ходе химических превращений. Тепловой эффект (энтальпия) химической реакции. Экзо- и эндотермические процессы.

1. с. 89-97; 2. с. 158-163, с. 187-194; 3. с. 162-170; 4. с. 156-165; 5. с. 39-41; 6. с. 174-185; 8. с. 32-37.

Термодинамика изучает закономерности обмена энергией между системой и внешней средой, возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания химических процессов.

Термодинамическая система (или просто система ) – тело или группа взаимодействующих тел, мысленно выделяемых в пространстве . Остальная часть пространства за пределами системы называется окружающей средой (или просто средой ). Система отделена от среды реальной или воображаемой поверхностью.

Гомогенная система состоит из одной фазы, гетерогенная система – из двух или более фаз.

Фаз а – это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам и отделенная от других фаз системы поверхностью раздела.

Состояние системы характеризуется всей совокупностью ее физических и химических свойств. Макросостояние определяется усредненными параметрами всей совокупности частиц системы, а микросостояние - параметрами каждой отдельной частицы.

Независимые переменные, определяющие макросостояние системы, называются термодинамическими переменными, или параметрами состояния . В качестве параметров состояния обычно выбирают температуру Т , давление р , объем V , химическое количество n , концентрацию с и т. д.

Физическая величина, значение которой зависит только от параметров состояния и не зависит от пути перехода к данному состоянию, называется функцией состояния . Функциями состояния являются, в частности:

U - внутренняя энергия;

Н - энтальпия;

S - энтропия;

G - энергия Гиббса (или свободная энергия, или изобарно-изотермический потенциал).

Внутренняя энергия системы U – это ее полная энергия, состоящая из кинетической и потенциальной энергии всех частиц системы (молекул, атомов, ядер, электронов) без учета кинетической и потенциальной энергии системы как целого. Поскольку полный учет всех этих составляющих невозможен, то при термодинамическом изучении системы рассматривают изменение ее внутренней энергии при переходе из одного состояния (U 1) в другое (U 2):

U 1 U 2 DU = U 2 - U 1

Изменение внутренней энергии системы может быть определено экспериментально.

Система может обмениваться энергией (теплотой Q ) с окружающей средой и совершать работу А , или, наоборот, над системой может быть совершена работа. Согласно первому закону термодинамики , являющемуся следствием закона сохранения энергии, теплота, полученная системой, может быть использована только на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы:

В дальнейшем будем рассматривать свойства таких систем, на которые не воздействуют никакие иные силы, кроме сил внешнего давления.

Если в системе процесс идет при постоянном объеме (т. е. отсутствует работа против сил внешнего давления), то А = 0. Тогда тепловой эффект процесса, идущего при постоянном объеме , Q v равен изменению внутренней энергии системы:

Q v = ΔU

Большинство химических реакций, с которыми приходится сталкиваться в обыденной жизни, идет при постоянном давлении (изобарные процессы ). Если на систему не действуют иные силы, кроме постоянного внешнего давления, то:

A = p(V 2 -V 1) = pDV

Поэтому в нашем случае (р = const):

Q р = U 2 – U 1 + p(V 2 - V 1), откуда

Q p = (U 2 + pV 2) - (U 1 + pV 1)

Функция U+pV , называетсяэнтальпией ; ее обозначают буквой Н. Энтальпия есть функция состояния и имеет размерность энергии (Дж).

Q p = H 2 - H 1 = DH

Тепловой эффект реакции при постоянном давлении и температуре Т равен изменению энтальпии системы в ходе реакции. Он зависит от природы реагентов и продуктов, их физического состояния, условий (Т,р ) проведения реакции, а также от количества веществ, участвующих в реакции.

Энтальпией реакции называют изменение энтальпии системы, в которой реагенты взаимодействуют в количествах, равных стехиометрическим коэффициентам уравнения реакции .

Энтальпия реакции называется стандартной , если реагенты и продукты реакции находятся в стандартных состояниях.

Стандартными состояниями являются:

Для твердого вещества - индивидуальное кристаллическое вещество при 101,32 кПа,

Для жидкого вещества - индивидуальное жидкое вещество при 101,32 кПа,

Для газообразного вещества - газ при парциальном давлении 101,32 кПа,

Для растворенного вещества - вещество в растворе при моляльности 1 моль/кг, причем предполагается, что раствор обладает свойствами бесконечно разбавленного раствора.

Стандартная энтальпия реакции образования 1 моль данного вещества из простых веществ называется стандартной энтальпией образования этого вещества.

Пример записи: D f H о 298 (CO 2) = -393,5 кДж/моль.

Стандартная энтальпия образования простого вещества, находящегося в наиболее устойчивом (при данных р и Т) агрегатном состоянии, принимается равной 0. Если элемент образует несколько аллотропных модификаций, то нулевую стандартную энтальпию образования имеет только самая устойчивая (при данных р и Т ) модификация.

Обычно термодинамические величины определяют при стандартных условиях :

р = 101,32 кПа и Т = 298 К (25 о С).

Химические уравнения, в которых указаны изменения энтальпии (тепловые эффекты реакций), называются термохимическими уравнениями. В литературе можно встретить две формы записи термохимических уравнений.

Термодинамическая форма записи термохимического уравнения:

С (графит) + О 2(г) ® СО 2(г) ; DН о 298 = -393,5 кДж

Термохимическая форма записи термохимического уравнения этого же процесса:

С (графит) + О 2(г) ® СО 2(г) + 393,5 кДж.

В термодинамике тепловые эффекты процессов рассматривают с позиций системы, поэтому, если система выделяет теплоту, то Q <0, а энтальпия системы уменьшается (ΔH< 0).

В классической термохимии тепловые эффекты рассматриваются с позиций окружающей среды, поэтому, если система выделяет теплоту, то принимается, что Q >0.

Экзотермическим называется процесс, протекающий с выделением теплоты (ΔH<0).

Эндотермическим называется процесс, протекающий с поглощением теплоты (ΔH>0).

Основным законом термохимии является закон Гесса: тепловой эффект реакции определяется только начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое.

Следствие из закона Гесса: стандартный тепловой эффект реакции равен сумме стандартных теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

DН о 298 (р-ции) = åD f Н о 298 (прод.) –åD f Н о 298 (исх.)

7. Понятие об энтропии. Изменение энтропии в ходе фазовых превращений и химических процессов. Понятие об изобарно-изотермическом потенциале системы (энергии Гиббса, свободной энергии). Соотношение между величиной изменения энергии Гиббса и величинами изменения энтальпии и энтропии реакции (основное термодинамическое соотношение). Термодинамический анализ возможности и условий протекания химических реакций. Особенности протекания химических процессов в живых организмах.

1. с. 97-102; 2. с. 189-196; 3. с. 170-183; 4. с. 165-171; 5. с. 42-44; 6. с. 186-197; 8. с. 37-46.

Энтропия S - это величина, пропорциональная логарифму числа равновероятных микросостояний, через которые может быть реализовано данное макросостояние:

Единица энтропии - Дж/моль·K.

Энтропия является количественной мерой степени неупорядоченности системы.

Энтропия возрастает при переходе вещества из кристаллического состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, при растворении кристаллов, при расширении газов, при химических взаимодействиях, приводящих к увеличению числа частиц, и прежде всего частиц в газообразном состоянии. Напротив, все процессы, в результате которых упорядоченность системы возрастает (конденсация, полимеризация, сжатие, уменьшение числа частиц), сопровождаются уменьшением энтропии.

Существуют методы расчета абсолютного значения энтропии вещества, поэтому в таблицах термодинамических характеристик индивидуальных веществ приведены данные для S 0 , а не для ΔS 0 .

Стандартная энтропия простого вещества, в отличие от энтальпии образования простого вещества, не равна нулю.

Для энтропии справедливо утверждение, аналогичное рассмотренному выше для DН : изменение энтропии системы в результате химической реакции (DS) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ. Как и при вычислении энтальпии, суммирование производят с учетом стехиометрических коэффициентов.

Направление, в котором самопроизвольно протекает химическая реакция, определяется совместным действием двух факторов: 1) тенденцией к переходу системы в состояние с наименьшей внутренней энергией (в случае изобарных процессов - с наименьшей энтальпией); 2) тенденцией к достижению наиболее вероятного состояния, т. е. состояния, которое может быть реализовано наибольшим числом равновероятных способов (микросостояний):

ΔH → min, ΔS → max

Функцией состояния, одновременно отражающей влияние обеих упомянутых выше тенденций на направление протекания химических процессов, служит энергия Гиббса (свободная энергия , или изобарно-изотермический потенциал) , связанная с энтальпией и энтропией соотношением

G = H - TS,

где Т - абсолютная температура.

Как видно, энергия Гиббса имеет ту же размерность, что и энтальпия, и поэтому обычно выражается в Дж или кДж.

Для изобарно-изотермических процессов , (т. е. процессов, протекающих при постоянных температуре и давлении) изменение энергии Гиббса равно:

Как и в случае DH и DS, изменение энергии Гиббса DG в результате химической реакции (энергия Гиббса реакции) равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ; суммирование производят с учетом числа молей участвующих в реакции веществ.

Энергию Гиббса образования вещества относят к 1 молю этого вещества и обычно выражают в кДж/моль; при этом DG 0 образования наиболее устойчивой модификации простого вещества принимают равной нулю.

При постоянстве температуры и давления химические реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при которомэнергия Гиббса системы уменьшается (D G<0).Это есть условие принципиальной возможности осуществления данного процесса.

В приведенной таблице показана возможность и условия протекания реакции при различных сочетаниях знаков DН и DS .

По знаку DG можно судить о возможности (невозможности) самопроизвольного протекания отдельно взятого процесса. Если на систему оказывать воздействие , то в ней можно осуществить переход от одних веществ к другим, характеризующийся увеличением свободной энергии (DG >0). Например, в клетках живых организмов протекают реакции образования сложных органических соединений; движущей силой таких процессов являются солнечное излучение и реакции окисления в клетке.

Страница 1

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Параметр	Обозначение, единица	Смысловое значение
Внутренняя энергия	U, кДж/моль	Полная энергия системы, равная сумме кинетической, потенциальной и других видов энергии всех частиц этой системы. Это функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в изохорном процессе.
Работа	А, кДж/моль	Энергетическая мера направленных форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.
Теплота	Q, кДж/моль	Энергетическая мера хаотических форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.
Первый закон термодинамики	Q=∆U+A	Теплота, подведенная к закрытой системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил окружающей среды.
Энтропия	S, Дж.(моль∙К) ∆S=Q/T, ∆S° р - ции =∑v 1 S°(прод.р-ции)-∑v 1 (исх.в-в)	Функция состояния, характеризующая меру неупорядоченности системы, т.е. неоднородности расположения и движения её частиц, приращение которой равно теплоте, подведенной к системе в обратимом изотермическом процессе, деленной на абсолютную температуру, при которой осуществляется процесс.
Энтальпия	H, кДж/моль ∆H=∆U+p∆V	Функция состояния, характеризующая энергетическое состояние системы в изобарных условиях.
Энтальпия реакции	∆H р-ции, кДж/моль	Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при проведении химических реакций в изобарных условиях.
Стандартное состояние	-	Наиболее устойчивая форма при заданной температуре (обычно 298 К) и давлении 1атм.
Стандартные условия	с.у.	Давление: 101 325 Па=1атм=760 мм рт.ст. Температура: 25⁰С≈298К. n(X)=1 моль.
Стандартная энтальпия образования простых веществ		При с.у. принимается равной нулю для простых веществ в их наиболее термодинамически устойчивом агрегатном и аллотропном состояниях.
Стандартная энтальпия образования сложных веществ	∆H° обр298 (вещество, агрегатное состояние), кДж/моль	Энтальпия реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ в с.у.
Стандартная энтальпия сгорания	∆H° сгор (X), кДж/моль	Энтальпия сгорания (окисления) 1 моль вещества до высших оксидов в среде кислорода при с.у.
Энтальпия растворения	∆H° р-ции,кДж/моль Где - теплоемкость раствора	Тепловой эффект растворения твердого вещества в изобарных условиях.
Энергия Гиббса	G, кДж/моль ∆G°=∆Н-Т∆S, ∆G° р-ции =∑v 1 ∆G° 1 (прод.р-ции)-∑ v 1 ∆G° 1 (исх.в-в)	Свободная энергия, обобщенная термодинамическая функция состояния системы, учитывающая энергетику и неупорядоченность системы в изобарных условиях.
Константа равновесия химической реакции для равновесия	К равн, (моль/л) ∆ v , где ∆v зависит от значений стехиометрических коэффициентов веществ. Для реакции aA+bB=cC+dD	Равна отношению произведения равновесных концентрация продуктов реакции к произведению равновесных концентраций реагентов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.
Уравнение изотермы Вант-Гоффа	Для обратимой реакции aA+bB=cC+dD , ∆G° р-ции =-RTlnK равн,	Позволяет рассчитать энергию Гиббса при заданных значениях концентраций реагентов и продуктов реакции.
Закон действующих масс для кинетики	V=kc(A) a c(B) b	Скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, которые называются порядками реакции по соответствующим веществам.
Порядок реакции по веществу	n i	Показатель степени, в которой входит концентрация реагента в уравнение для скорости химической реакции. Порядок может быть любой величиной: целой, дробной, положительной, нулем, отрицательной и даже переменной, зависящей от глубины протекания реакции.
Общий порядок реакции	n=n λ +n β +…	Сумма порядков реакции по всем реагентам.
Средняя скорость реакции по веществу		Усредненная скорость по веществу за данный промежуток времени
Истинная скорость реакции		Характеризует скорость реакции в данный момент времени (∆τ→0); v 1 – стехиометрический коэффициент вещества в реакции.
Истинная скорость реакции по веществу		Характеризует скорость по веществу в данный момент времени (∆τ→0).
Константа скорости реакции	k, c -1 – для реакций 1-го порядка; л/(моль∙с) – для реакций 2-го порядка	Индивидуальная характеристика реакции, численно равна скорости реакции при концентрациях реагентов, равных 1 моль/л.
Энергия активации	Е а, кДж/моль	Минимальная избыточная энергия взаимодействующих частиц, достаточная для того, чтобы эти частицы вступили в химическую реакцию.
Период полупревращения	Τ1/2, с, мин, ч, сут	Время, за которое концентрация реагирующего вещества уменьшается вдвое.
Период полураспада	Τ1/2, с, мин, ч, сут	Время, за которое количество радиоактивного уменьшается в 2 раза.
Кинетическое уравнение для реакций 1-горядка (интегральная форма)	c=c 0 е - kt	Уравнение линейно относительно переменных ln с и t; k- константа скорости реакции 1-го порядка; с 0 -концентрация исходного вещества в начальный момент времени; с- текущая концентрация исходного вещества в момент времени t; t – время, прошедшее от начала реакции.
Правило Вант-Гоффа	где - температурный коэффициент скорости реакции;