Вопросы и задания

1. Сформулируйте первый закон термодинамики. Дайте определение по­нятий "теплота", "работа", "внутренняя энергия системы", "энтальпия".

2. Что называется тепловым эффектом химической реакции и какие методы его определения вы знаете? Приведите примеры реакций, для которых: а) ; б) ; в) .

3. Можно ли рассматривать закон Гесса как следствие из первого закона термодинамики в приложении его к химическим процессам?

4. Что понимают под стандартной энтальпией образования и стандартной энтальпией сгорания веществ? Напишите уравнения реакций, поясняющих физический смысл стандартных энтальпий образования следующих веществ: H₂O, CO₂, C₆H₁₂O₆.

5. Укажите какими тремя основными путями расходуется энергия, поглощаемая человеком в виде пищи.

6. Что понимают под стандартной энтальпией сгорания? Можно ли использовать эту величину для оценки энергетики окислительных процессов?

7. Приведите формулировки и математическую запись следствий из закона Гесса. В чем их практическое значение?

8. Что понимают под внутренней энергией и энтальпией системы? Покажите связь между и .

9. В каких условиях протекают следующие процессы: а) сгорание метана в закрытом стальном сосуде, который погружен в емкость с водой; б) окисление глюкозы в нашем организме; в) сгорание глюкозы на воздухе? К какому типу можно отнести каждую из этих систем?

10. Hапишите уравнение, выражающее связь между тепловым эффектом при постоянном давлении и тепловым эффектом при постоянном объеме.

11. Можно ли экспериментально определить и теоретически рассчитать абсолютные значения внутренней энергии и энтальпии системы?

12. Какие процессы называют экзергоническими и эндергоническими?

13. Зависит ли тепловой эффект химической реакции от числа стадий при изобарно-изотермических условиях проведения процесса?

14. В организме человека окисление этилового спирта протекает в две стадии:

В ходе первой стадии выделяется 256 кДж/моль, а в ходе второй — 237 кДж/моль теплоты. Рассчитайте тепловой эффект процесса окисления этанола до уксусной кислоты. Какие выводы можно сделать о вреде потребления алкоголя, если учесть, что окисление уксусного альдегида в уксусную кислоту протекает во времени, а присутствие уксусного альдегида в крови вызывает затруднение дыхания, сбои пульса, тошноту, чувство жара в голове и груди? (–493 кДж/моль)

15. Можно ли экспериментально определить изменение внутренней энергии при сгорании глюкозы?

16. Какие системы называют открытыми, закрытыми, изолиро-ванными? К каким системам можно отнести живые организмы?

17. Для каких расчетов применяют "стандартную энергию Гиббса образования веществ" ()?

18. Почему термодинамика рассматривает не абсолютные значения внутренней энергии, а только ее изменение?

19. Почему для конденсированных систем разница между энтальпией и внутренней энергии мала, а для газообразных систем значительна?

20. Какие термодинамические функции применяют для определения направления самопроизвольного протекания процессов в открытых и закрытых системах?

21. Для каких расчетов используют термодинамические потенциалы?

22. Какие термодинамические функции являются критериями для определения направления самопроизвольного протекания процесса в условиях а) Р,Т = const, б) V,T = const?

23. Предскажите изменение энтропии в следующих процессах: а) плавление льда; б) кипение воды; в) Н_2(г) + О_2(г) = Н₂О_(г).

24. Приведите формулировки и математическое выражение второго закона термодинамики.

25. Приведите примеры самопроизвольных и несамопроизвольных процессов.

26. Могут ли в организме осуществляться эндергонические процессы? Ответ обоснуйте.

27. Как связана константа равновесия реакции с изменением функции Гиббса?

28. Приведите несколько формулировок второго закона термодинамики, напишите его математическое выражение. В чем состоит значение второго закона термодинамики для процессов, протекающих в живых организмах?

29. Можно ли, используя термодинамические параметры реакции, провести оценку выхода продуктов (рассчитать константу равновесия)?

30. Какие из приведенных реакций могут протекать в прямом, а какие  в обратном направлении при Т, Р = сonst:

а) SO_2(г) +O_2(г)= SO_3(г),

б) 2HСl_(г) = H_2(г) + Cl_2(г),

в) 2H_2(г) + O_2(г) = 2H₂O_(г),

31. Изменение энтальпии для реакции H_2(г) + O_2(г) = H₂O_(ж) равно –285,85 кДж/моль при 298 К и 101,325 кПа. Предскажите влияние температуры на константу равновесия этой реакции.

32. Назовите критерии самопроизвольности протекания процессов и равновесия в изолированных и неизолированных системах.

33. Стандартные энтальпии образования газообразного оксида углерода(IV) и жидкой воды равны соответственно –393,0 и –285,85 кДж/моль. Какова энергетическая ценность (кДж/г) углерода и водорода как видов топлива? (32,75 кДж/г; 142,9 кДж/г)

34. С ростом температуры равновесие реакции SO₂+O₂=SO₃ смещается влево. Сделайте вывод о знаке теплового эффекта реакции. Ответ обоснуйте.

35. Влияет ли давление на выход продуктов в обратимой реакции?

36. Как отличаются изобарный и изохорный тепловые эффекты для реакции образования жидкой воды?

37. Как влияет температура на величину константы равновесия (К_р) экзотермической реакции?

38. Энергетическая ценность сахара составляет 16,80 кДж/г. Объясните возможные пути экспериментального определения или теоретического расчета этой величины?

39. Каким образом можно увеличить выход оксида азота (IV) в реакциях, идущих по уравнениям:

1) 2NО_(г) + О_2(г) = 2NО_2(г) ,

2) N₂О_4(г) = 2NО_2(г),

40. Объясните изменение выхода продуктов с повышением температуры для газообразных реакций, протекающих: а) с выделением теплоты, ; б) с поглощением теплоты, . Для объяснения используйте уравнение изобары Вант–Гоффа.

41. Чем объяснить постоянство теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием?

42. Одинаковые ли будут тепловые эффекты при нейтрализации серной кислоты растворами: а) гидроксида натрия; б) гидроксида калия; в) аммиака?

43. Какова связь между изменениями внутренней энергии и энтальпией системы? Поясните на конкретных примерах.

44. Применяя математическое выражение первого закона термодинамики, покажите, что тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении есть изменение энтальпии, а тепловой эффект химической реакции при постоянном объеме  изменение внутренней энергии химической реакции.

45. Что означает понятие "стационарное" состояние организма и чем оно отличается от равновесного состояния системы?

46. В каком направлении сместится равновесие при изменении давления и температуры в реакциях:

1) 2СO_(г) + O_2(г) = 2СO_2(г),

2) СO_2(г) + С_(т) = 2СO_(г),

47. Применимы ли основные законы термодинамики к живым организмам?

48. Hе противоречит ли уравнение изобары химической реакции принципу Ле Шателье?

49. Согласно первому закону термодинамики теплота есть функция процесса. Закон Гесса утверждает, что теплота химической реакции не зависит от пути процесса. Объясните это “противоречие”.

50. Укажите факторы, смещающие равновесие и не изменяющие константу равновесия.

51. Какие процессы характеризуются изменением функции Гельмгольца?

52. Классифицируйте следующие реакции по знаку энтальпии:

C₂H_4(г) + H₂O_(г) = C₂H₅OH_(г),

CO_2(г) + 2H₂S_(г) = 2H₂O_(г) + CS_2(г),

3H_2(г) + CO_(г) = CH_4(г) + H₂O_(г),

2H₂O_(г) + 3CO_(г) = CH₃OH_(г) + 2CO_2(г),

CaCO_3(т) = CaO_(т) + CO_2(г),

53. Из приведенных процессов укажите те, для которых :

4HCl_(г) + O_2(г) = 2H₂O_(г) + 2Cl_2(г);

2NO_2(г) + O_3(г) = O_2(г) + N₂O_5(г);

CH_4(г) + 2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(г);

2H_2(г) + 2CO_(г) = CH_4(г) + CO_2(г);

H_2(г) + Cl_2(г) = 2HCl_(г).

54. Какая из приведенных ниже реакций поставляет организму больше энергии:

1) C₆H₁₂O_6(т) = 2C₂H₅OH_(ж) + 2CO_2(г);

2) C₆H₁₂O_6(т) + 6O_2(г) = 6CO_2(г) + 6H₂O_(ж).

55. Определите калорийность пищевого продукта массой 380 г, содержащего 15 % углеводов, 20 % жиров, 35 % белков и 30 % воды, если калорийность белков равна 17,1 кДж/г, жиров – 38,0 кДж/г, углеводов 17,1 кДж/г. (6137 кДж)

56. Вычислите стандартную энтальпию образования сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁, если тепловые эффекты реакций сгорания веществ соответственно равны:

C₁₂H₂₂O_11(т) + 12O_2(г)= 12СО_2(г) + 11H₂O_(ж),

С_(т) + O_2(г) = CO_2(г),

Н_2(г)+ O_2(г) = H₂O_(ж),

(–2218 кДж/моль)

57. При сгорании некоторого количества глюкозы на открытом воздухе выделилось 563,17 кДж теплоты. Найдите количество прореагировавшей глюкозы, если известно, что энтальпия ее сгорания –2815,83 кДж/моль. (0,2 моль)

58. Не проводя расчетов, покажите отличие изобарного и изохорного тепловых эффектов следующих реакций:

1) СН_4(г) + 2О_2(г) = СО_2(г) + 2Н₂О_(ж);

2) N_2(г) + 3Н_2(г) = 2NH_3(г).

59. Рассчитайте количество теплоты, выделяющейся при гашении 1 кг извести водой, если стандартные энтальпии образования () СаО_(т), Са(ОН)_2(т) и Н₂О_(ж) соответственно равны –635,10; –986,20; –285,85 кДж/моль. (1165,18 кДж)

60. Какое количество теплоты выделится при сгорании 150 г этилового спирта, если стандартные энтальпии образования С₂Н₅ОН_(ж), СО_2(г) и Н₂О_(ж) равны соответственно –277,80; –393,50 и –285,85 кДж/моль. (4456,8 кДж)

61. Найдите разность между q_р и q_v при 25 С для следующих реакций:

1) CO_(г) + 3H_2(г) = CH_4(г) + H₂O_(ж);

2) C₂H₅OH_(ж) = C₂H_4(г) + H₂O_(ж).

62. При сгорании 1 л ацетилена при постоянном объеме и 298 К выделяется 58,0 кДж теплоты. Можно ли на основании этих данных вычислить стандартную энтальпию сгорания ацетилена?

63. При горении в стандартных условиях 2 г водорода выделяется 285,85 кДж теплоты. Рассчитайте количество выделяемой теплоты при проведении реакции в закрытом сосуде. (282,3 кДж)

64. При полном сгорании 46 г этилового спирта выделяется 1367,7 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную энтальпию образования этилового спирта, если стандартные энтальпии образования воды жидкой и углекислого газа равны соответственно –285,85 и –393,50 кДж/моль. (–276, 85 кДж/моль)

65. Рассчитайте стандартную энтальпию образования сахарозы С₁₂H₂₂О_11 (тв), если тепловой эффект реакции

С₁₂H₂₂О_11 (тв) + 12О_2 (тв) = 12СО_2 (г) + 11H₂О_(ж)

равен –5694 кДж, и стандартные энтальпии образования H₂О_(ж) и СО_2(г) соответственно равны –285,85 и –393,50 кДж/моль. (–2172, 35 кДж/моль)

66. Чему равно изменение энтальпии реакции сгорания водорода при постоянном объеме, если ее тепловой эффект при постоянном давлении и при 25 С равен ? (–282,3 кДж)

67. Рассчитайте энтальпию образования пальмитиновой кислоты (C₁₅H₃₁COOH), если при сгорании 1 моль ее при 298 К выделяется 9796 кДж теплоты, а стандартные энтальпии образования CO_2(г) и H₂О_(ж) соответственно равны –393,5 и –285,85 кДж/моль.( –1073,6 кДж/моль)

68. Стандартная энтальпия сгорания метана равна –822 кДж/моль. Рассчитайте количество теплоты, выделившейся при сгорании 160 г метана. (8220 кДж)

69. Реакция горения ацетилена при стандартных условиях сопровождается выделением 1300 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную энтальпию образования ацетилена при постоянном давлении, если:

(–228,15 кДж/моль)

70. Вычислите изменение энтальпии реакции при 25 С

С₂H₅ОH_(ж) + O_2(г) = CH₃COOH_(ж) + H₂O_(ж),

если стандартные энтальпии сгорания этилового спирта и уксусной кислоты равны соответственно –1367,7 и –872,1 кДж/моль. (–495,6 кДж)

71. Будут ли отличаться изобарный и изохорный тепловые эффекты реакций:

1) N_2(г) + O_2(г) = 2NO_(г); 2) С₆Н₁₂О_6(т) + 6О_2(г) = 6CO_2(г) + 6H₂O_(ж).

72. Стандартное изменение функции Гиббса реакции горения глюкозы равна –2880 кДж. При дыхании часть этой энергии в количестве 1140 кДж запасается клетками для выполнения работы. Сколько энергии запасут клетки при разложении 0,5 г глюкозы? (3,16 кДж)

73. Возможен ли самопроизвольный процесс образования глюкозы из углекислого газа и воды при постоянных температуре и давлении? Ответ обоснуйте.

74. Рассчитайте константы равновесия К_р и К_с реакции N₂O_4(г) = 2NO_2(г), если стандартные изобарные потенциалы образования () для NO_2(г) и N₂O_4(г) равны 51,84 и 98,82 кДж/моль соответственно. (0,14; 5,65·10^–5)

75. Рассчитайте изменение энтропии процесса обмена карбоксиметилцеллюлозы с ионами К⁺(Na⁺) при 300 К, если при этом выделяется 23 кДж теплоты, а прирост функции Гиббса составил 0,66 кДж. Какие выводы можно сделать о направлении связывания карбоксиметилцеллюлозы с ионами К⁺(Na⁺)? (–78,87 Дж/К)

76. Константы равновесия (К_р) двух реакций равны соответственно 1 и 510^–3. Рассчитайте изменение изобарно–изотермического потенциала и сделайте вывод о направлении самопроизвольного протекания каждой реакции. (0 кДж/моль; 13,127 кДж/моль)

77. Рассчитайте изменение энтропии при реакции гидролиза АТФ в живом организме АТФ + H₂O = АДФ + HРO₄^2– + H⁺, если при этих условиях выделилось 20 кДж теплоты, а убыль изобарно–изотермического потенциала составила 30 кДж. (–33,56 Дж/К)

78. Энергетическая ценность белков составляет 17 кДж/г, а жиров  38 кДж/г. Людям, занятым тяжелым физическим трудом, необходимо поглощать с пищей  10500 кДж ежедневно. Рассчитайте массу жиров в суточном рационе человека, если белков в нем содержалось 300 г. (142 г)

79. Константа равновесия реакции аланина с глицином, приводящая к образованию дипептидной связи, равна 1·10^–3. Может ли данный процесс идти самопроизвольно при 298 К?

80. При растворении аденина в воде и метаноле при 298 К поглощается 29,58 и 16,57 кДж/моль теплоты, а прирост энтропии при растворении в воде и метаноле составляет 25,5 и 39,3 Дж/(мольК) соответственно. В каком из этих растворителей лучше растворяется аденин?

81. Рассчитайте тепловой эффект и изменение энтропии реакции разложения карбоната кальция на открытом воздухе, используя данные таблицы 3.

Т а б л и ц а 3

Вещество	, кДж/моль	, Дж/(мольК)
СО2(г)	–393,51	213,82
СаО(г)	–635,09	39,77
СаСО3(г)	–1206,83	88,8

Может ли протекать самопроизвольно эта реакция при температуре 25 С ? (178,23 кДж; 164,79 Дж/К)

82. Рассчитайте энтальпию образования сероуглерода, используя термохимические уравнения следующих реакций:

S_(т) + O_2(г) = SO_2(г),

CS_2(т) + 3O_2(г) = CO_2(г)+ 2SO_2(г),

С_(т) + O_2(г) = CO_2(г),

(–120,9 кДж/моль)

83. Стандартное изменение энтальпии сгорания кристаллической аминоуксусной кислоты при 298 К равно –976,7 кДж/моль. Процесс сгорания протекает по схеме

NH₂CH₂COOH_(т) + 2О₂ = 2СО_2(г) + 2Н₂О _(ж)+ N_2(г)

Рассчитайте изменение стандартной энтальпии образования аминоуксусной кислоты при заданной температуре, если

(–524,9 кДж/моль)

84. Энергетическая ценность сливочного масла 30,9 кДж/г, а белого хлеба 9,7 кДж/г. Сколько энергии получит Ваш организм при потреблении бутерброда, состоящего из 100 г хлеба и 20 г масла? (1588 кДж)

85. Оцените возможность образования газообразного метанола из оксида углерода (II) и водорода при 298 К, используя данные таблицы 4:

Т а б л и ц а 4

Вещество	, кДж/моль	, Дж/(мольК)
СО(г)	–110,60	197,68
Н2(г)	0	130,66
СН3ОН(г)	–202,10	239,90

86. При изучении равновесия реакции С_(т) + 2H_2(г) = CH_4(г) значения констант равновесия при температурах 700 и 750 С равны 0,195 и 0,118. Рассчитайте тепловой эффект этой реакции и сравните с наиболее точным значением (). (–83,14 кДж)

87. Дайте термодинамическую оценку возможности получения анилина из хлорбензола и аммиака С₆H₅Cl_(ж) + NH_3(г) = С₆H₅NH_2(ж) + HCl_(г) в стандартных условиях, если стандартные изменения функции Гиббса образования С₆H₅Cl_(ж), NH_3(г), С₆H₅NH_2(ж), HCl_(г) соответственно равны: 198,4; –16,63; 153,1; –95,28 кДж/моль.

88. Вычислите изменение энтропии реакции при стандартных условиях:

4HCl_(г) + O_2(г) = 2H₂O_(г) + 2Cl_2(г),

если абсолютные значения энтропии HCl_(г), O_2(г), H₂O_(г), Cl_2(г) равны соответственно 186,92; 205,17; 188,85; 223,13 Дж/(моль·К). (–128,89 Дж/К)

Варианты индивидуальных заданий для контрольной работы по теме: “Химическая кинетика”	Номера вопросов	Последняя цифра	9	15, 24, 32, 61, 81	5, 8, 9, 63, 76	33, 35, 37, 59, 65	18, 23, 50, 55, 82	44, 46, 47, 71, 84	2, 11, 42, 57, 86	22, 39, 45, 74, 79	7, 10, 21, 36, 53	22, 41, 49, 60, 64	2, 20, 32, 67, 83
			8	22, 28, 50, 58, 79	4, 7, 47, 60, 75	20, 26, 30, 64, 88	10, 13, 49, 54, 80	36, 39, 45, 68, 81	1, 9, 32, 51, 85	19, 38, 41, 72, 77	2, 6, 33, 75, 87	12, 19, 40, 59, 62	28, 31, 48, 65, 87
			7	19, 25, 49, 57, 77	3, 45, 48, 59, 74	17, 29, 43, 62, 84	6, 12, 14, 53, 78	2, 38, 41, 67, 79	8, 28, 43, 56, 83	18, 35, 40, 71, 73	5, 34, 44, 72, 86	11, 18, 37, 61, 88	8, 25, 46, 64, 76
			6	12, 18, 23, 56, 73	41, 44, 46, 72, 86	24, 27, 42, 61, 81	5, 11, 31, 52, 76	1, 35, 40, 65, 77	25, 43, 46, 54, 82	14, 26, 37, 68, 70	1, 4, 20, 68, 85	9, 14, 30, 58, 84	23, 39, 50, 62, 72
			5	10, 11, 14, 55, 70	36, 39, 40, 71, 85	16, 22, 32, 58, 79	4, 8, 9, 51, 75	20, 26, 37, 64, 73	21, 23, 24, 39, 80	13, 17, 30, 67, 69	3, 44, 50, 71, 82	12, 29, 34, 57, 81	10, 38, 49, 61, 86
			4	6, 9, 13, 54, 69	2, 37, 38, 68, 82	15, 19, 28, 57, 77	3, 7, 21, 44, 74	17, 30, 34, 62, 70	10, 22, 38, 55, 78	29, 31, 33, 59, 65	31, 36, 49, 67, 83	27, 42, 50, 56, 79	6, 12, 35, 58, 66
			3	5, 31, 44, 53, 66	1, 30, 35, 67, 83	18, 25, 50, 56, 73	36, 47, 48, 72, 87	29 ,42, 43, 61, 69	6, 19, 35, 52, 76	8, 27, 34, 63, 64	2, 8, 12, 65, 80	16, 32, 49, 55, 77	5, 11, 26, 57, 85
			2	4, 8, 36, 52, 63	26, 29, 34, 65, 80	14, 23, 49, 55, 70	2, 45, 46, 71, 86	24, 27, 32, 58, 66	5, 18, 26, 53, 75	16, 20, 50, 60, 62	1, 7, 11, 78, 88	12, 15, 28, 54, 73	4, 9, 17, 56, 74
			1	2, 3, 7, 51, 60	17, 20, 27, 64, 87	10, 12, 13, 54, 69	1, 39, 41, 68, 85	16, 22, 28, 57, 63	4, 14, 17, 59, 74	15, 44, 49, 61, 66	9, 43, 48, 76, 84	11, 25, 31, 52, 69	3, 43, 47, 53, 71
			0	1, 17, 21, 33, 59	16, 42, 43, 62, 78	6, 11, 31, 53, 66	34, 38, 40, 67, 83	15, 19, 25, 56, 60	3, 13, 48, 72, 88	7, 12, 36, 58, 87	24, 46, 47, 75, 81	8, 9, 23, 51, 74	24, 45, 50 52, 63,
	Пред-	послед-няя	цифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9