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.

Лекция 1 Химическая термодинамика. Химическая кинетика и катализ ПЛАН 1. Основные понятия термодинамики. 2. Термохимия. 3. Химическое равновесие. 4. Скорость химических реакций. 5. Влияние температуры на скорость реакций. 6. Явление катализа. Подготовили: к.х.н., доц. Іванець Л.М., ас. Козачок С.С. Лектор ассистент кафедры фармацевтической химии Козачок Соломея Степановна

Термодинамика – Термодинамика – это раздел физики, изучающей взаимные преобразования различных видов энергии, связанных с переходом энергии в форме теплоты и работы. Большое практическое значение термодинамики в том, что она позволяет рассчитать тепловые эффекты реакции, заранее указать возможность или невозможность осуществления реакции, а также условия ее прохождения.

Внутренная енергия Внутренная энергия - кинетическая энергия всех частиц системы (молекул, атомов, электронов) и потенциальная энергия их взаимодействий, кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом. Внутренная энергия является функцией состояния, т.е. ее изменение определяется заданным начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути процесса: U = U 2 – U 1

Первый закон термодинамики Энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, а только переходит из одного вида в другой в эквивалентном количестве. Вечный двигатель первого рода, то есть периодически действующая машина, которая дает работу, не тратя при этом энергии, невозможен. Q = U + W В любой изолированной системе общий запас энергии сохраняется неизменным. Q = U + W

Тепловой эффект химической реакции при постоянном V или р не зависит от пути прохождения реакции, а определяется природой и состоянием исходных веществ и продуктов реакции Закон Гесса Н 1 Н 2 Н 3 Н 4 Исходние вещества продукты реакции Н 1 = Н 2 + Н 3 + Н 4 Н 1 = Н 2 + Н 3 + Н 4

Второй закон термодинамики, как и первый, является результатом многовекового человеческого опыта. Существуют различные формулировки второго закона, но все они определяют направление самопроизвольных процессов: 1. Теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему (постулат Клаузиуса). 2. Процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу, невозможен (постулат Томсона). 3. Нельзя построить машину периодического действия, которая только охлаждаюет тепловой резервуар и выполняет работу (первый постулат Планка). 4. Любая форма энергии может полностью превратиться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично (второй постулат Планка).

Энтропия – термодинамическая функция состояния, поэтому ее изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы. тогда S 2 - S 1 = ΔS = S 2 - S 1 = ΔS = Физической смысл энтропии - это количество связанной энергии, которая отнесенная к одному градусу: в изолированных системах, направление течения самопроизвольных процессов определяется изменением энтропии.

Характеристические функции U – функция изохорно-изоэнтропийного процесса: dU = TdS – pdV. Для произволного процесса: U 0 Н – функция изобарно-изоэнтропийного процесса:dН = TdS + Vdp Для произволного процесса: Н 0 S – функция изолированой системы Для произволного процесса: S 0 Для произволного процесса: S 0 F – функция изохорно-изотермического процесса dF = dU – TdS. Для произволного процесса: F 0 G – функция изобарно-изотермического процесса: dG = dH- TdS Для произволного процесса: G 0

Классификация химических реакций по числу стадий Простые протекают в один элементарный химический актСложные протекают в несколько стадий Обратная реакция А В Обратная реакция: А В Паралельние: В А С Последовательные:АВС Сопряженные:А D Сопряженные: А D С В Е В Е

Влияние температуры на скорость реакций Влияние температуры на скорость ферментативных реакций t t

Сравнение Вант- Гоффа: Расчет срока годности лекарств по методу "ускоренного старения" Вант- Гоффа: при t 2 t 1 Температурной коэффициент скорости:

Термодинамика – наука о превращении одних форм энергии в другие на основе закона сохранения энергии. Термодинамика устанавливает направление самопроизвольного течения химических реакций при данных условиях. При химических реакциях рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Сумма энергий связей после реакции не равна сумме энергий связи до реакции, т.е. протекание химической реакции сопровождается выделением или поглощением энергии, причем формы ее различны.

Термохимия – раздел термодинамики, посвященный изучению тепловых эффектов реакций. Тепловой эффект реакции, измеренный при постоянных температуре и давлении, называют энтальпией реакции и выражают в джоулях (Дж) и килоджоулях (кДж).

Для экзотермических реакций , для эндотермических - . Энтальпию образования 1моль данного вещества из простых веществ, измереного при температуре 298 К (25 °С) и давлении 101,825 кПа (1 атм), называют стандартной (кДж/моль). Энтальпии простых веществ условно принимают равными нулю.

В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода. Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции:

В термохимических уравнениях указывают значение энтальпии химической реакции . При этом у формулы каждого вещества указывают его физическое состояние: газообразное (г), жидкое (ж), твердое кристаллическое (к).

В термохимических уравнениях тепловые эффекты реакций дают в расчете на 1 моль исходного или конечного вещества. Поэтому здесь допускаются дробные коэффициенты. При химических реакциях проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны система стремится к упорядочению (агрегации) – уменьшению Н, а с другой стороны – к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением температуры, а вторая – с её повышением. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, названная энтропией S [Дж/(моль. К)]. Она является мерой неупорядоченности системы. Энтропия пропорциональна количеству вещества и возрастает с увеличением движения частиц при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п. – ведут к уменьшению энтропии. Энтропия – функция состояния, т.е.

Общая движущая сила процесса складывается из двух сил: стремление к упорядочению и стремления к беспорядку . При p = const и T = const общую движущую силу процесса можно представить следующим образом:

Энергия Гиббса , или изобарно-изотермический потенциал, также подчиняется следствию закона Гесса:

Самопроизвольно протекают процессы, идущие в сторону уменьшения любого потенциала и, в частности, в сторону уменьшения . При состоянии равновесия температура начала равновесной реакции равна:

Таблица 5

Стандартные энтальпии образования , энтропии и энергии Гиббса образования некоторых веществ при 298 К (25°С)

Вещество	, кДж/моль	, Дж/моль	, кДж/моль
CaO (к)	-635,5	39,7	-604,2
CaCO 3 (к)	-1207,0	88,7	-1127,7
Ca(OH) 2 (к)	-986,6	76,1	-896,8
H 2 O (ж)	-285,8	70,1	-237,3
H 2 O (г)	-241,8	188,7	-228,6
Na 2 O (к)	-430,6	71,1	-376,6
NaOH (к)	-426,6	64,18	-377,0
H 2 S (г)	-21,0	205,7	-33,8
SO 2 (г)	-296,9	248,1	-300,2
SO 3 (г)	-395,8	256,7	-371,2
C 6 H 12 O 6 (к)	-1273,0	-	-919,5
C 2 H 5 OH (ж)	-277,6	160,7	-174,8
CO 2 (г)	-393,5	213,7	-394,4
CO(г)	-110,5	197,5	-137,1
C 2 H 4 (г)	52,3	219,4	68,1
CH 4 (г)	-74,9	186,2	-50,8
Fe 2 O 3 (к)	-822,2	87,4	-740,3
FeO (к)	-264,8	60,8	-244,3
Fe 3 O 4 (к)	-1117,1	146,2	-1014,2
CS 2 (г)	115,3	65,1	237,8
P 2 O 5 (к)	-1492	114,5	-1348,8
NH 4 Cl (к)	-315,39	94,56	-343,64
HCl (г)	-92,3	186,8	-95,2
NH 3 (г)	-46,2	192,6	-16,7
N 2 O (г)	82,0	219,9	104,1
NO (г)	90,3	210,6	86,6
NO 2 (г)	33,5	240,2	51,5
N 2 O 4 (г)	9,6	303,8	98,4
CuO (к)	-162,0	42,6	-129,9
H 2 (г)		130,5
C (графит)		5,7
O 2 (г)		205,0
N 2 (г)		181,5
Fe (к)		27,15
Cl 2 (г)		222,9
KNO 3 (к)	-429,71	132,93	-393,13
KNO 2 (к)	-370,28	117,15	-281,58
K 2 O (к)	-361,5	87,0	-193,3
ZnO (к)	-350,6	43,6	-320,7
Al 2 O 3 (к)	-1676,0	50,9	-1582,0
PCl 5 (г)	-369,45	362,9	-324,55
PCl 3 (г)	-277,0	311,7	-286,27
H 2 O 2 (ж)	-187,36	105,86	-117,57

Скорость реакции определяется природой и концентрацией реагирующих веществ и зависит от температуры и катализатора.

Закон действия масс: При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициентов.

Для реакции аА + вВ = сС + dD скорость прямой реакции:

,

скорость обратной реакции: , где - концентрации растворенных или газообразных соединений, моль/л;

a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты в уравнении;

К – константа скорости.

В выражении для скорости реакции не включают концентрации твердых фаз.

Влияние температуры на скорость реакции описывается правилом Вант-Гоффа: при нагревании на каждые 10 градусов скорость реакции возрастает в 2-4 раза.

Скорость реакции при температурах t 1 и t 2 ;

Температурный коэффициент реакции.

Большинство химических реакций являются обратимыми:

аА + вВ сС + dD

отношение констант скоростей – величина постоянная, называемая константой равновесия

К р = const при T = const.

Принцип Ле – Шателье: Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое – либо воздействие (изменить температуру, давление или концентрацию), то система будет реагировать таким образом, чтобы уменьшить приложенное воздействие:

а) при повышении температуры в равновесных системах равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении температуры – в сторону экзотермической реакции;

б) при повышении давления равновесие смещается в сторону меньших объемов, а при понижении давления – в сторону больших объемов;

в) при повышении концентрации равновесие смещается в сторону ее уменьшения.

Пример 1. Определите стандартное изменение энтальпии реакции:

Экзо- или эндотермическая данная реакция?

Решение: Стандартное изменение энтальпии химической реакции равно сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ

При каждом суммировании следует учитывать в соответствии с уравнением реакции, число молей участвующих в реакции веществ. Стандартные энтальпии образования простых веществ равны нулю:

Согласно табличным данным:

Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называются экзотермическими, а те, которые сопровождаются поглощением теплоты, - эндотермическими. При постоянных температуре и давлении изменение энтальпии химической реакции равно по величине, но обратно по знаку ее тепловому эффекту. Поскольку стандартное изменение энтальпии данной химической реакции , то делаем вывод, что данная реакция является экзотермической.

Пример 2. Реакция восстановления Fe 2 O 3 водородом протекает по уравнению:

Fe 2 O 3(K) + 3H 2(Г) = 2Fe (K) + 3H 2 O (Г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Решение: Для ответа на этот вопрос задачи нужно вычислить стандартное изменение энергии Гиббса реакции . В стандартных условиях:

Суммирование производят с учетом числа моделей, участвующих в реакции веществ, образования наиболее устойчивой модификации простого вещества принимают равной нулю.

С учетом выше сказанного

Согласно табличным данным:

Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения . Если < 0, процесс принципиально осуществим, если > 0, процесс самопроизвольно проходить не может.

Следовательно, данная реакция при стандартных условиях невозможна.

Пример 3. Написать выражения закона действия масс для реакций:

а) 2NO (Г) + Cl 2(Г) = 2NOCl (Г)

б) CaCO 3(K) = CaO (K) + CO 2(Г)

Решение: Согласно закону действия масс скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам:

а) V = k 2 .

б) Поскольку карбонат кальция - твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакции, искомое выражение будет иметь вид:

V = k, т.е. в данном случае скорость реакции при определенной температуре постоянна.

Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

PCl 5(Г) = PCl 3(Г) + Cl 2(Г) ;

Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложение PCl 5 ? Напишите математическое выражение скорости прямой и обратной реакций, а также константы равновесия.

Решение: Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменения равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции.

Смещение химического равновесия подчиняется принципу Ле-Шателье, согласно которому изменение одного из условий, при которых система находится в равновесии, вызывает смещение равновесия в направлении той реакции, которая противодействует производному изменению.

а) Так как реакция разложения PCl 5 эндотермическая , то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру.

б) Так как в данной системе разложение PCl 5 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуется две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление.

в) Смещение равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации PCl 5 , так и уменьшением концентрации PCl 3 или Cl 2 .

Согласно закону действия масс, скорости прямой (V 1) и обратной (V 2) реакций выражаются уравнениями:

V 2 = k

Константа равновесия данной реакции выражается уравнением:

Контрольные задания:

81 - 100. а) рассчитайте стандартное изменение энтальпии прямой реакции и определите экзо- или эндотермическая это реакция;

б) определите изменение энергии Гиббса прямой реакции и сделайте вывод о возможности её осуществления при стандартных условиях;

в) напишите математическое выражение скорости прямой и обратной реакции, а также константы равновесия;

г) как следует изменить условия, чтобы равновесие процесса сместить вправо?

81. CH 4(г) + CO 2(г) = 2СO (г) + 2H 2(г)

82. FeO (K) + CO (г) =Fe (K) + CO 2(г)

83. C 2 H 4(г) + O 2(г) = CO 2(г) + H 2 O (г)

84. N 2(г) + 3H 2(г) =2NH 3(г)

85. H 2 O (г) +CO (г) = CO 2(г) +H 2(г)

86. 4HCl (г) + O 2(г) = 2H 2 O (г) + 2Cl 2(г)

87. Fe 2 O 3(К) +3H 2(г) = 2Fe (K) + 3H 2 O (г)

88. 2SO 2(г) + O 2(г) = 2SO 3(г)

89. PCl 5(г) = PCl 3(г) + Cl 2(г)

90. CO 2(г) + C (графит) = 2СO (г)

91. 2H 2 S (г) + 3O 2(г) = 2SO 2(г) + H 2 O (г)

92. Fe 2 O 3(K) +CO (г) =2FeO (K) + CO 2(г)

93. 4NH 3(г) + 5O 2(г) = 4NO (г) + 6H 2 O (г)

94. NH 4 Cl (K) = NH 3(г) + HCl (г)

95. CH 4(г) + 2O 2(г) = CO 2(г) + 2H 2 O (г)

96. CS 2(г) + 3O 2(г) = CO 2(г) + 2SO 2(г)

97. 4HCl (г) + O 2(г) = 2Cl 2(г) + 2H 2 O (г)

98. 2NO (г) + O 2(г) = N 2 O 4(г)

99. NH 3(г) + HCl (г) = NH 4 Cl (K)

100. CS 2(г) + 3O 2(г) = 2Cl 2(г) + 2SO 2(г)

Тема 6: Растворы. Способы выражения концентрации растворов

Растворы – это гомогенные системы, состоящие из растворителя, растворенных веществ и возможных продуктов их взаимодействия. Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества в определенной массе или известном объеме раствора или растворителя.

Способы выражения концентрации растворов:

Массовая доля () показывает количество граммов растворенного вещества в 100 г раствора:

где т – масса растворенного вещества (г), т 1 – масса раствора (г).

Молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1л раствора:

где М- молярная масса вещества (г/моль), V- объем раствора (л).

Моляльная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000г растворителя:п 101-120. Найти массовую долю, молярную концентрацию, моляльную концентрацию для следующих растворов:

Вариант	Вещество (х)	Масса вещества (х)	Объем воды	Плотность раствора
	CuSO 4	320 г	10 л	1,019
	NaCl	0,6 г	50 мл	1,071
	H 2 SO 4	2 г	100 мл	1,012
	Na 2 SO 4	13 г	100 мл	1,111
	HNO 3	12,6 г	100 мл	1,066
	HCl	3,6 кг	10 кг	1,098
	NaOH	8 г	200 г	1,043
	MgCl 2	190 г	810 г	1,037
	KOH	224 г	776 г	1,206
	CuCl 2	13,5 г	800 мл	1,012
	HCl	10,8 г	200 г	1,149
	CuSO 4	8 г	200 мл	1,040
	NaCl	6,1 г	600 мл	1,005
	Na 2 SO 3	4,2 г	500 мл	1,082
	H 2 SO 4	98 г	1000 мл	1,066
	ZnCl 2	13,6 г	100 мл	1,052
	H 3 PO 4	9,8 г	1000 мл	1,012
	Ba(OH) 2	100 г	900 г	1,085
	H 3 PO 4	29,4 г	600 мл	1,023
	NaOH	28 г	72 г	1,309

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;

1 . Что изучает химическая термодинамика:

1) скорости протекания химических превращений и ме­ханизмы этих превращений;

2) энергетические характеристики физических и хими­ческих процессов и способность химических систем выпол­нять полезную работу;

3) условия смещения химического равновесия;

4) влияние катализаторов на скорость биохимических процессов.

2. Открытой системой называют такую систему, которая:

2) обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией;

3. Закрытой системой называют такую систему, которая:

1) не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией;

3) обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом ;

4) обменивается с окружающей средой веществом, но не обменивается энергией.

4. Изолированной системой называют такую систему, которая:

1) не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией ;

2) обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией;

3) обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом;

4) обменивается с окружающей средой веществом, но не обменивается энергией.

5. К какому типу термодинамических систем принадле­жит раствор, находящийся в запаянной ампуле, помещен ной в термостат?

1) изолированной;

2) открытой;

3) закрытой;

4) стационарной.

6. К какому типу термодинамических систем принадле жит раствор, находящийся в запаянной ампуле?

1) изолированной;

2) открытой;

3) закрытой;

4) стационарной.

7. К какому типу термодинамических систем принадле жит живая клетка?

1) открытой ;

2) закрытой;

3) изолированной;

4) равновесной.

8 . Какие параметры термодинамической системы назы-Iвают экстенсивными?

1) величина которых не зависит от числа частиц в системе;

2) величина которых зависит от числа частиц в системе ;

3) величина которых зависит от агрегатного состояния системы;

9. Какие параметры термодинамической системы назы­вают интенсивными?

!) величина которых не зависит от числа частиц в системе ;

2) величина которых зависит от числа частиц в системе;

3) величина которых зависит от агрегатного состояния;

4) величина которых зависит от времени.

10 . Функциями состояния термодинамической системы называют такие величины, которые:

1) зависят только от начального и конечного состояния системы ;

2) зависят от пути процесса;

3) зависят только от начального состояния системы;

4) зависят только от конечного состояния системы.

11 . Какие величины являются функциями состояния си­стемы: а) внутренняя энергия; б) работа; в) теплота; г) эн­тальпия; д) энтропия.

1) а, г, д;

3) все величины;

4) а, б, в, г.

12 . Какие из следующих свойств являются интенсив­ными: а) плотность; б) давление; в) масса; г) температура; д) энтальпия; е) объем?

1) а, б, г;

3) б, в, г, е;

13. Какие из следующих свойств являются экстенсивны­ми: а) плотность; б) давление; в) масса; г) температура; д) энтальпия; е) объем?

1) в, д, е;

3) б, в, г, е;

14 . Какие формы обмена энергией между системой и окружающей средой рассматривает термодинамика: а) теп­лота; б) работа; в) химическая; г) электрическая; д) механи­ческая; е) ядерная и солнечная?

1)а,б;

2) в, г,д, е;

3) а, в, г, д, е;

4) а, в, г, д.

15. Процессы, протекающие при постоянной темпера­туре, называются:

1) изобарическими;

2) изотермическими ;

3) изохорическими;

4) адиабатическими.

16 . Процессы, протекающие при постоянном объеме, называются:

1) изобарическими;

2) изотермическими;

3) изохорическими;

4) адиабатическими.

17 . Процессы, протекающие при постоянном давлении, называются:

1) изобарическими ;

2) изотермическими;

3) изохорическими;

4) адиабатическими.

18 . Внутренняя энергия системы - это:1) весь запас энергии системы, кроме потенциальной энер­гии ее положения и кинетической энергии системы в целом;

2) весь запас энергии системы;

3) весь запас энергии системы, кроме потенциальной энергии ее положения;

4) величина, характеризующая меру неупорядоченнос­ти расположения частиц системы.

19 . Какой закон отражает связь между работой, тепло­той и внутренней энергией системы?

1) второй закон термодинамики;

2) закон Гесса;

3) первый закон термодинамики;

4) закон Вант-Гоффа.

20 . Первый закон термодинамики отражает связь между:

1) работой, теплотой и внутренней энергией;

2) свободной энергией Гиббса, энтальпией и энтропией системы;

3) работой и теплотой системы;

4) работой и внутренней энергией.

21 . Какое уравнение является математическим выра­жением первого закона термодинамики для изолирован­ных систем?

l)AU=0 2)AU=Q-p-AV 3)AG = AH-TAS

22 . Какое уравнение является математическим выраже­нием первого закона термодинамики для закрытых систем?

2)AU=Q-p-AV ;

3) AG = AH - T*AS;

23 . Постоянной или переменной величиной является внутренняя энергия изолированной системы?

1) постоянной;

2) переменной.

24 . В изолированной системе протекает реакция сгора­ния водорода с образованием жидкой воды. Изменяется ли внутренняя энергия и энтальпия системы?

1) внутренняя энергия не изменится, энтальпия изменится;

2) внутренняя энергия изменится, энтальпия не изменится ;

3) внутренняя энергия не изменится, энтальпия не изменится;

4) внутренняя энергия изменится, энтальпия изменится.

25 . При каких условиях изменение внутренней энергии равно теплоте, получаемой системой из окружающей среды?

1) при постоянном объеме ;

3) при постоянном давлении;

4) ни при каких.

26 . Тепловой эффект реакции, протекающей при посто­янном объеме, называется изменением:

1) энтальпии;

2) внутренней энергии;

3) энтропии;

4) свободной энергии Гиббса.

27 . Энтальпия реакции - это:

1) количество теплоты, которое выделяется или погло­щается в ходе химической реакции при изобарно-изотер-мических условиях ;

4) величина, характеризующая меру неупорядоченнос­ти расположения и движения частиц системы.

28. Химические процессы, при протекании которых про­исходит уменьшение энтальпии системы и во внешнюю сре­ду выделяется теплота, называются:

1) эндотермическимий;

2) экзотермическими;

3) экзэргоническими;

4) эндэргоническими.

29 . При каких условиях изменение энтальпии равно теп­лоте, получаемой системой из окружающей среды?

1) при постоянном объеме;

2) при постоянной температуре;

3) при постоянном давлении ;

4) ни при каких.

30 . Тепловой эффект реакции, протекающей при посто-янном давлении, называется изменением:

1) внутренней энергии;

2) ни одно из предыдущих определений неверно;

3) энтальпии;

4) энтропии.

31. Какие процессы называют эндотермическими?

1) для которых АН отрицательно;

3) для которых АН положительно ;

32 . Какие процессы называют экзотермическими?

1) для которых АН отрицательно ;

2) для которых AGотрицательно;

3) для которых АН положительно;

4) для которых AGположительно.

33 . Укажите формулировку закона Гесса:

1) тепловой эффект реакции зависит только от началь­ного и конечного состояния системы и не зависит от пути реакции ;

2) теплота, поглощаемая системой при постоянном объе­ме, равна изменению внутренней энергии системы;

3) теплота, поглощаемая системой при постоянном дав­лении, равна изменению энтальпии системы;

4) тепловой эффект реакции не зависит от начально­го и конечного состояния системы, а зависит от пути ре­акции.

34. Какой закон лежит в основе расчетов калорийности продуктов питания?

1) Вант-Гоффа;

2) Гесса;

3) Сеченова;

35. При окислении каких веществ в условиях организма выделяется большее количество энергии?

1) белков;

2) жиров ;

3) углеводов;

4) углеводов и белков.

36 . Самопроизвольным называется процесс, который:

1) осуществляется без помощи катализатора;

2) сопровождается выделением теплоты;

3) осуществляется без затраты энергии извне ;

4) протекает быстро.

37 . Энтропия реакции - это:

1) количество теплоты, которое выделяется или погло­щается в ходе химической реакции при изобарно-изотер-мических условиях;

2) количество теплоты, которое выделяется или погло­щается в ходе химической реакции при изохорно-изотер-мических условиях;

3) величина, характеризующая возможность самопро­извольного протекания процесса;

4) величина, характеризующая меру неупорядоченнос­ти расположения и движения частиц системы.

38 . Какой функцией состояния характеризуется тенден­ция системы к достижению вероятного состояния, которо­му соответствует максимальная беспорядочность распреде­ления частиц?

1) энтальпией;

2) энтропией ;

3) энергией Гиббса;

4) внутренней энергией.

39 . В каком соотношении находятся энтропии трех агрегат­ных состояний одного вещества: газа, жидкости, твердого тела:

I ) S (г) > S (ж) > S (тв); 2)S(тв)>S(ж)>S(г); 3)S(ж)>S(г)>S(TB); 4) агрегатное состояние не влияет на значение энтропии.

40 . В каком из следующих процессов должно наблюдать­ся наибольшее положительное изменение энтропии:

1) СН3ОН (тв) --> СН,ОН (г);

2) СH3OH(тв) --> СН 3 ОН (ж);

3) СН,ОН (г) -> CH3OH(тв);

4) СН,ОН (ж) -> СН3ОН (тв).

41 . Выберите правильное утверждение: энтропия систе­мы увеличивается при:

1) повышении давления;

2) переходе от жидкого к твердому агрегатному состоянию

3) повышении температуры;

4) переходе от газообразного к жидкому состоянию.

42. Какую термодинамическую функцию можно исполь­зовать, чтобы предсказать возможность самопроизвольно­го протекания реакции в изолированной системе?

1) энтальпию;

2) внутреннюю энергию;

3) энтропию;

4) потенциальную энергию системы.

43 . Какое уравнение является математическим выраже­нием 2-го закона термодинамики для изолированных систем?

2)AS>Q\T

44 . Если система обратимым образом получает количе­ство теплотыQпри температуре Т, то обT;

2) возрастает на величину Q / T ;

3) возрастает на величину, большую Q/T;

4) возрастает на величину, меньшую Q/T.

45 . В изолированной системе самопроизвольно проте­кает химическая реакция с образованием некоторого коли­чества продукта. Как изменяется энтропия такой системы?

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

4) достигает минимального значения

46 . Укажите, в каких процессах и при каких условиях изменение энтропии может быть равно работе процесса?

1) в изобарных, при постоянных Р и Т;

2) в изохорных, при постоянных Vи Т;

З) изменение энтропии никогда не равно работе;

4) в изотермических, при постоянных Р и 47 . Как изменится связанная энергия системыTSпри нагревании и при ее конденсации?