1.3. Контрольные вопросы

1. Что такое эквивалент и молярная масса эквивалента?

2. Как рассчитывается молярная масса эквивалента вещества для химических элементов и соединений различных классов (соли, оксиды, кислоты, основания), а также для соединений, проявляющих свойства окислителей или восстановителей?

3. Рассчитать молярную массу эквивалента перманганата калия KMnO₄, рассматривая данное соединение как: а) соль; б) окислитель, превращающийся в MnO(OH)₂; в) окислитель, превращающийся в MnSO₄

4. Какой объем оксида углерода СО, взятый при нормальных условиях требуется для получения железа из 1 кг его оксида Fe₂O₃?

5. Рассчитать молярную массу эквивалента азотной кислоты HNO₃, рассматривая данное соединение как: а) кислоту б) окислитель, превращающийся в NO в) окислитель, превращающийся в NH₃

6. Какое количество серной кислоты H₂SO₄ необходимо для реакции с 300г оксида алюминия Al₂O₃ при условии образования средней соли Al₂(SO₄)₃ ?

2. Термодинамика химической реакции

2.1. Семинар: Энергетика химических процессов

1. Общие понятия термодинамики: система, состояние системы, параметры состояния, равновесные и обратимые процессы.

2. I закон термодинамики. Понятия: работа, теплота, внутренняя энергия, энтальпия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса. Теплотаобразования химических веществ. Стандартные условия. Энергия связи.

4. II закон термодинамики. Понятие энтропии. Условие самопроизвольного протекания процесса в изолированной системе. Энтропия идеального кристалла. Изменение энтропии при изменении температуры.

5. Понятие энергии Гиббса и Гельмгольца. Направление самопроизвольного протекания процесса. Зависимость ΔG от температуры. Влияние энтальпийного и энтропийного фактора на изменение направления процесса.

К величинам, характеризующим химические системы, относятся внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса. Все эти величины представляют собой функции состояния, т.е. зависят только от состояния системы, но не от способа, которым это состояние достигнуто.

Энтальпия – функция состояния, изменение которой равно теплоте изобарного процесса (р=const).

Δ_pH<0 – экзотермическая реакция.

Δ_pH>0 – эндотермическая реакция.

Закон Гесса – частный случай фундаментального закона естествознания – первого начала термодинамики: энергия не создается и не уничтожается, а лишь превращается из одного вида в другой в строго эквивалентных количествах.

Стандартная энтальпия реакции рассчитывается по уравнениям (следствие закона Гесса):

Пример. Вычислить стандартную энтальпию реакции, протекающей в газовой фазе?

Химические реакции, протекающие без поступления энергии извне, называются самопроизвольными. Для решения вопроса о возможности самопроизвольного протекания реакции в изолированных системах используют изменение энтропии (ΔS), а в закрытых системах – изменение энергии Гиббса (ΔG).

Энтропия характеризует степень упорядоченности частиц в системе. В соответствии с постулатом М. Планка энтропия правильно образованного кристалла чистого вещества при абсолютном нуле равна нулю. Стандартная энтропия реакции Δ_рS⁰ рассчитывается по уравнению, также являющимся следствием закона Гесса:

Энергия Гиббса – функция состояния, изменение которой в обратимом изобарно-изотермическом процессе равно максимально полезной работе (за вычетом работы расширения - сжатия).

Расчет стандартной энергии Гиббса реакции производится также по уравнению вытекающему из закона Гесса:

Критерием направления самопроизвольного протекания необратимого процесса являются неравенства:

ΔS>0 (для изолированных систем)

ΔG<0 (для закрытых систем)

Задания для подготовки к семинару

1. На основании приведенных данных найдите Δ_fH°₂₉₈ZnSO₄ :

ZnS (тв) = Zn (тв) + S (ромб) Δ_rH°₂₉₈ = 184 кДж

2 ZnS (тв) + 3О₂ (г) = 2ZnO (тв) + 2SO₂ ΔrH°₂₉₈ = -928кДж

2SO₂ (г) + O₂ (г) = 2SO₃ (г) Δ_rH°₂₉₈ = -196 кДж

ZnSO₄ (тв) = ZnO (тв) + SO₃ (г) Δ_rH°₂₉₈ = 230 кДж

2. Вычислите изменение энтропии реакции в стандартных условиях:

2H₂S(г) + 3O₂ (г) = 2SO₂ (г) + 2H₂O (ж), используя табличные данные.

3. Вычислите изменение энтропии при плавлении 15 г серебра. T_пл = 960°С, ΔH_пл = 104,5 кДж/моль.

4. В сосуде, разделенном перегородкой на 2 объема одинаковой емкости (по 30 л) находятся: в одном 42г азота, а в другом -16г кислорода при одинаковой температуре. Найдите изменения энтропии при удалении перегородки.

5. Вы знаете о роли водки в экономике страны. Можно ли получить этиловый спирт из простых веществ – водорода, кислорода и углерода (угля)? Термодинамические характеристики веществ взять из справочника. Если окажется, что процесс возможен, объясните, почему его не используют в промышленности. Почему спирт – очень дешевый продукт, а водка, изготовляемая из него, по сути дела разбавленная водой, очень дорога?

6. Проведите термодинамический анализ реакции образования озона из кислорода 3О₂(г.)=2О₃(г.) (реакция осуществляется через ряд последовательных стадий). Каковы знаки энтальпии, энтропии и изобарного потенциала реакции образования озона? Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Устойчив ли озон при обычных условиях? Как изменяется устойчивость озона при повышении температуры? При какой температуре – более высокой или более низкой – следует получать озон из кислорода? Почему эта реакция имеет исключительно важное значение для природы и человека? Какова роль озона верхних и нижних слоях атмосферы? Что вы знаете об озоновых дырах в верхних слоях атмосферы? К каким глобальным последствиям может привести снижение содержания озона в верхних слоях атмосферы? Вреден или полезен озон, содержащийся во вдыхаемом воздухе? Каковы источники озона в нижнем слое атмосферы? Где используется озон?

7. Возможна ли при стандартных условиях реакция

2SO₂(г.)+О₂(г.)=2SO₃(г.)

Кислотные дожди связаны с присутствием в атмосфере серной и азотной кислот. Серная кислот образуется при взаимодействии триоксида серы SO₃ с водой, который получается при окислении диоксида серы (сернистого газа) кислородом воздуха. Диоксид серы выбрасывается в воздух двигателями автомобилей (при использовании некачественного бензина), а также при сжигании на тепловых станциях угля и нефти, содержащих соединения серы.

8. Проведите анализ преимуществ (экономичность, удобство) использования в качестве топлива следующих газов: метана, этана, этилена, ацетилена, пропана, бутана. Вам следует найти в справочной литературе энтальпию образования, энтропию, температуру плавления, температуру кипения, плотность жидкости и другие характеристики, необходимые для выполнения задачи.

9. Температура тела человека равна ~36,7⁰С. Сможет ли человек постоянно жить при одной из следующих температур: 35, 36,7 или 37⁰С? Как вы считаете, чем может закончится такой эксперимент, когда животное (или человек) на долгое время помещают в среду с температурой, равной температуре его тела (пищу и воду им поставляют в необходимом количестве)?

10. Рассмотрите систему город – окружающая среда с точки зрения создания порядка и беспорядка. Почему города возникают и существуют? Почему некоторые города и цивилизации перестают существовать?