קבע את האפשרות התרמודינמית של תהליך כימי. משימות למדור יסודות התרמודינמיקה עם פתרונות

1.3 פתרון של בעיות אופייניות בנושא "תרמודינמיקה כימית ותרמוכימיה"
(עבור התמחויות לא כימיות)

1. מְחוֹשָׁב ה'הָהֵןΔ חבערך 298 כִּימִי ה'לְהָגִיב ג ii Na 2 O (t) + H 2 O (l)→ 2NaOH(t)
לפי ערכי חום היווצרות הסטנדרטיים של חומרים (, ראה טבלה 1 בנספח). ציין את סוג התגובה גו (אקסו- או אנדותרמי).

פִּתָרוֹן

פִּתָרוֹן.

שימוש בנתוני התייחסות: ס o (NaOH, t) \u003d 64.16 J / (מול· ל),
ס o (Na 2 O, t) = 75.5 J / (מול· ל), ס o (H 2 O, w) \u003d 70 J / (מול· ק), ספירה Δ ס o 298:

Δ ס o 298 = 2 · ס o( NaOH,ט ) - [ ס o (Na 2 O, t) + ס o (H 2 O, w)] \u003d 2 · 64,16 - (75,5 + 70) =
= - 17,18 J / K .

תשובה: -17.18 J/K.

4. מְחוֹשָׁב ה'השינוי הזה באנרגיה של גיבס (Δ G o 298) למקצוענים ג essa
Na 2 O (t) + H 2 O (l)→ 2NaOH(t) על פי ערכי האנרגיות הסטנדרטיות של גיבס של היווצרות חומרים (ראה טבלה 1 בנספח). האם ייתכן שהתגובה תתקדם באופן ספונטני בתנאים סטנדרטיים ו-298K?

פִּתָרוֹן:

בתנאים סטנדרטיים ו-T=298KΔ ללכת 298 ניתן לחשב כהפרש בין הסכום הכולל אנרגיית גיבס של היווצרות תוצרי תגובהואנרגיה כוללת של גיבס של היווצרות חומרים ראשוניים. נתוני התייחסות נדרשים: (NaOH,t) \u003d -381.1 קילו ג'ל/מול, (Na 2 O) \u003d -378 קילו-ג'יי/מול, (H 2 O, l) \u003d -237 קילו-ג'יי/מול.

Δ G o 298 = 2 · (NaOH,t) - [(Na 2 O,t) + (H 2 O,g)] = 2· (-381,1) -
- [-378 + (-237)] = -147.2 קילו-ג'יי.

מַשְׁמָעוּת Δ Gבערך 298 שלילי, אז תגובה ספונטנית אפשרית.

תשובה: -147.2 קילו-ג'יי; אולי.

5. קבעו האם ניתן ב-95 o C לזרום באופן ספונטני ג essa Na 2 O (t) + H 2 O (l)→ 2NaOH(t). נמק את התשובה ה'אלה על ידי חישוב גודל השינוי באנרגיה של גיבס עבור נתון ה'טֶמפֶּרָטוּרָה.

פִּתָרוֹן:

בואו נמיר את הטמפרטורה לסולם קלווין: ט\u003d 273 + 95 \u003d 368K. לחישובΔ Gבערך 368 בוא נשתמש במשוואה:

Δ Gבערך 368 = Δ הו-ט Δ כך

בואו נשתמש בשינויים באנתלפיה ובאנטרופיה שחושבו עבור תהליך זה במשימות הקודמות. במקרה זה, יש להמיר את ערך השינוי באנטרופיה מ-J/K ל-kJ/K, שכן הערכיםΔ חו Δ Gנמדד בדרך כלל ב-kJ.

17.18 י /K = -0.01718 kJ/K

Δ Gבערך 368 = -153,6 - 368 · (-0.01718) = -147.3 קילו-ג'יי.

לכן, Δ Gבערך 368 < 0, поэтому самопроизвольное протекание данного процесса при 95 o С возможно.

תשובה: -147.3 קילו-ג'יי; אולי.

6. ערכו משוואה תרמוכימית לאינטראקציה של Na 2 O (t) ו- H 2 O (l), אם נוצר במקרה זה 1 מול של NaOH (t). בתשובתך, ציין את כמות החום המצוינת במשוואה התרמוכימית.

פִּתָרוֹן:

למקדמים במשוואה התרמוכימית יש משמעות של שומות. לכן, ערכי שבר של המקדמים מקובלים. 1 מול נתרן הידרוקסיד יכול להיווצר מ 1/2 מול של נתרן אוקסיד ו 1/2 מול מים. במשימה 1 (ראה לעיל), חושב שעם היווצרות 2 מול NaOH

שאלות בהרצאה:

1. השפעות אנרגיה של תגובות כימיות. אנרגיה פנימית ואנטלפיה.

2. מושגי יסוד של תרמודינמיקה כימית. החוק הראשון של התרמודינמיקה;

3. תרמוכימיה. השפעות תרמיות ומשוואות תרמוכימיות. חוק הס והשלכותיו.

4. מצב סטנדרטי. אנטרופיה ושינוי שלה בתגובות כימיות.

5. אנרגיית גיבס והלמהולץ. חשיפת האפשרויות של הכיוון והמגבלה של תגובות כימיות ספונטניות על ידי חישוב שינויים בפרמטרים התרמודינמיים שלה.

שאלה 1. אנו מכירים את הסוגים העיקריים של תגובות כימיות ואת הכללים להרכבת משוואות כימיות.

על ידי חיבור המשוואה של תגובה כימית, אתה יכול לחשב את כמות התוצרים של תגובה זו, שנוצרים בתנאי טרנספורמציה מלאה חומרים התחלתיים.

עם זאת, תגובות רבות אינן ממשיכות עד הסוף, וחלקן בלתי אפשריות כלל בתנאים הנתונים. - בעיה?

כידוע, בהתאם לחוק שימור האנרגיה, מספר טרנספורמציות אנרגיה אפשריות: אנרגיה כימית של דלק לחום, חום לאנרגיה מכנית, מכנית לאנרגיה חשמלית, חשמלית שוב למכנית, ולבסוף, מכנית לאנרגיה. חוֹם. אבל לא כל התמורות המפורטות שוות האחת לשנייה: אנרגיה כימית, מכנית, חשמלית ניתנת להמרה מלאה לסוגי אנרגיה אחרים (כולל חום); חום אינו מסוגלללכת לְגַמרֵילתוך צורות אחרות של אנרגיה. - למה?

כל סוגי האנרגיה חוץ מחום, הן אנרגיות תנועה מסודרת של מיקרו-חלקיקיםהמרכיבים את הגוף, או תנועה מסודרת של הגופים עצמם. (אנרגיה חשמלית היא תנועה מסודרת של מטענים חשמליים בהשפעת מתח חשמלי; אנרגיה מכנית היא האנרגיה של התנועה הפשוטה ביותר, שהיא שינוי בסידור המרחבי של גופים לאורך זמן).

חוֹםמייצג אנרגיה לא סדירה מיקרו-חלקיקים(מולקולות, אטומים, אלקטרונים וכו') בעת מעבר מגוף אחד למשנהו. חוסר האפשרות של מעבר מוחלט של חום לסוגים אחרים של אנרגיה מוסברת על ידי חוסר האפשרות של מבנה מחדש מלא של תנועה כאוטית לתנועה מסודרת.

הענף בכימיה העוסק בהשפעות התרמיות של תגובות כימיות נקרא תרמודינמיקה כימית.

המילה תרמודינמיקהמגיע מהמילים היווניות "תרמוס" (חום) ו"דינמוס" (כוח, תנועה). פשוטו כמשמעו, מדע התנועה.

תרמודינמיקה כימית - מדע ההמרות ההדדיות של חום ואנרגיה בתגובות כימיות.

לימודי תרמודינמיקה כימית : 1) השפעות אנרגיה הנלוות לתגובות כימיות;

הכרת חוקי התרמודינמיקה הכימית מאפשרת :

לחזות האם ניתן באופן עקרוני ליצור אינטראקציה כימית בין חומרים נתונים בתנאים מסוימים;

חזה באיזו מידה תגובה יכולה להתקדם לפני שיווי משקל כימי נוצר בתנאים נתונים;

בחר את התנאים האופטימליים לתהליך, תוך הבטחת התשואה המרבית של המוצר הרצוי;

אז, הידע של חוקי התרמודינמיקה הכימית מאפשר לפתור, מבלי להזדקק לניסוי, בעיות רבות של עבודת ייצור ומחקר.

תרמודינמיקה כימית מבוססת על שלושה חוקים (שלושה עקרונות), המוזרות שבהן היא שלא ניתן לגזור אותן, אלא הן תוצאה של הכללה של ניסיון אנושי בן מאות שנים. נכונותם של חוקים אלה מאוששת על ידי העובדה שאין עובדות שיסתור את החוקים הללו.

בהרצאה של היום נדבר על החוק הראשון של התרמודינמיקה. אבל לפני שתתחיל לשקול את זה, עליך לשלוט במושגים הבסיסיים של תרמודינמיקה כימית.

שאלה 2. מושגי יסוד של תרמודינמיקה כימית. החוק הראשון של התרמודינמיקה.

נציג את המושגים הבסיסיים של תרמודינמיקה כימית על ידי התייחסות לדוגמא ספציפית. דמיינו שתמיסת מלח רוויה, מלח לא מומס בצורת גבישים וקיטור מעל התמיסה נמצאים במיכל גומי אלסטי ואטום (איור 1א).

תוכן הבלון הוא מושא המחקר, המכונה בדרך כלל המערכת התרמודינמית. ואז כל מה שנמצא מחוץ למערכת מהווה את הסביבה.

מערכת – זהו אוסף של חפצים חומריים המופרדים בדרך כלשהי מהסביבה.

סביבה – זה שאר החלל עם הכל בו.

מערכת תרמודינמית – זהו קבוצה של גופים המסוגלים להחליף אנרגיה וחומר זה עם זה ולקיים אינטראקציה עם הסביבה בדרכים שונות.

בדוגמה הנידונה, המערכת יכולה להחליף אנרגיה רק ​​עם הסביבה החיצונית, אך לא משנה. מערכות כאלה נקראות סָגוּר, או סָגוּר. לדוגמה, צינור אטום המוצב לסירוגין בסביבות חמות וקרות יקבל וישחרר אנרגיה, אך מסת תכולת הצינור תישאר קבועה.

לִפְתוֹחַמערכת יכולה להחליף גם חומר וגם אנרגיה עם מערכות אחרות. לדוגמה, מים רותחים בקומקום מקבלים אנרגיה מלהבה, ובמהלך האידוי מאבדים חלק מהאנרגיה ומהמסה שלהם.

מְבוּדָדהמערכת אינה מחליפה חומר או אנרגיה עם הסביבה והיא נמצאת בנפח קבוע (שינוי בנפח קשור תמיד לביצוע העבודה, ולכן עם חילופי האנרגיה).

למשל, תרמוס.

הכימיקלים המרכיבים את המערכת נקראים רכיבים.

המערכת נקראת הוֹמוֹגֵנִי , אם זהה בהרכבו, במבנה ובמאפיינים בכל המיקרו-קטעים שלו (תערובת גזים, תמיסה אמיתית). אנו יכולים לומר שהוא מורכב משלב אחד.

שלב- זוהי קבוצה של כל חלקי המערכת זהים בהרכבם והומוגניים במבנה.

המערכת נקראת הֵטֵרוֹגֵנִי , אם הוא מורכב ממספר שלבים המופרדים על ידי ממשקים.

כל גבישי הקרח במים קפואים יוצרים שלב אחד, מים נוזליים שלב אחר, וקיטור שלישי. זוהי מערכת תלת פאזית (כלומר הטרוגנית) חד-רכיבית (H 2 O).

מצב המערכתהוא קבוצה של מאפיינים ( או פרמטרים)מערכות שיש לה כרגע. שינוי כל פרמטר פירושו שינוי מצב המערכת.

הפרמטרים העיקריים של המדינה נחשבים לפרמטרים הניתנים למדידה ישירה. אלו כוללים טֶמפֶּרָטוּרָה, לחץ, צפיפות, נפח טוחן, ריכוז(סימן בתחתית האיור את פרמטרי המצב P 1, T 1, V 1 ).

מה קורה אם הפחית מחוממת, כלומר. לספק אנרגיה בצורת חום?

ראשית, הטמפרטורה תעלה מ T 1 ל T 2 .

כל שינוי בפרמטר מערכת אחד או יותר נקרא תהליך תרמודינמי.

עלייה בטמפרטורה, בתורה, תשתנה אנרגיה פנימית של המערכת (U ),המורכב מהאנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות של החלקיקים המרכיבים אותה (מולקולות, אלקטרונים, נוקלונים).

אנרגיה קינטית פנימית נובעת מתנועה כאוטית תרמית של מולקולות, הקשורה ישירות לטמפרטורה – עם עלייה בטמפרטורת הגוף, עוצמת התנועה הזו עולה.

אנרגיה פוטנציאלית פנימית נובעת מאינטראקציה של חלקיקים זה עם זה (דחייה או משיכה הדדית).

הערך המוחלט של האנרגיה הפנימית לא נמדד ולאלא ניתן לחשב, רק ניתן לקבוע את השינוי שלו כתוצאה מתהליך כלשהו. יש לזכור כי השינוי באנרגיה הפנימית של כל מערכת במהלך המעבר ממצב אחד לאחר אינו תלוי בנתיב המעבר, אלא נקבע רק על פי המצב ההתחלתי והסופי.

בדוגמה שלנו, זה אומר שאתה יכול קודם לחמם את תכולת הפחית לטמפרטורה T 3 > T 2 . ואז לקרר שוב את הפחית לטמפרטורה T 2 . זה אומר שהאנרגיה הפנימית היא פונקציית מצב,הָהֵן. אינו תלוי בנתיב התהליך, אלא תלוי בפרמטרים של המערכת.

אז, עלייה בטמפרטורה, בתורה, תגרום לשינוי באנרגיה הפנימית של המערכת:

שימו לב שכאשר המיכל מחומם, לא רק הטמפרטורה משתנה, אלא גם ריכוז התמיסה - חלק מהמלח מומס בנוסף וכמות האדים עולה, כלומר. מתרחשת חלוקה מחדש המונית.

על ידי הגדלת כמות הקיטור, המערכת מבצעת עֲבוֹדָה הרחבות:

A=P V

אם קבוע לחץ חיצוני, חימום יגרום לעלייה בנפח בערך V - הבלון יתנפח כמו בלון.

לכן, חום ( Q), המדווחת על ידי המערכת מבחוץ, מושקעת בהגדלת האנרגיה הפנימית (U), בעבודת הרחבה (A), בעבודות מסוגים אחרים (X) (במקרה שלנו, עבודה על חלוקה מחדש של מסות חומרים ב- מערכת):

ש=U+A+איקס

המשוואה המתקבלת אינה אלא ביטוי של הראשון ראשיתה של התרמודינמיקה, שהוא חלק מהחוק האוניברסלי של שימור האנרגיה.

החוק הראשון של התרמודינמיקה ניתן לנסח באופן הבא:

החום המסופק למערכת מבחוץ מושקע על הגדלת האנרגיה הפנימית ועל עבודת ההתרחבות.

ישנם ניסוחים אחרים של החוק הראשון של התרמודינמיקה:

1. צורות שונות של אנרגיה עוברות זו לזו בפרופורציות שוות לחלוטין, תמיד זהות.

2. במערכת מבודדת, האספקה ​​הכוללת של אנרגיה היא ערך קבוע.

3. תהליך כזה בלתי אפשרי שבו תבוצע עבודה ללא הוצאת אנרגיה (מנוע בעירה תמידית אינו אפשרי).

חשוב לציין שלא עבודה ולא חום הם פונקציות מצב, כלומר. תלוי בנתיב התהליך, בדיוק כפי שאורך הדרך ממוסקבה לפטרוזבודסק תלוי אם לעבור דרך סנט פטרסבורג או דרך וולוגדה.

בנוסף לפונקציות שנחשבו לעיל, התרמודינמיקה מציגה כמויות זהות לסכום של מספר פרמטרים תרמודינמיים. החלפה זו מפשטת מאוד את החישובים. לפיכך, פונקציית המדינה שווה ל U+PV,שקוראים לו אנטלפיה (N):

H =U+PV,H2-H 1 =ח

שקול שני מקרים מיוחדים של שינוי מצב המערכת:

1. תהליך איזוכורי -תהליך המתרחש בנפח קבוע. V =const , V =0 A =0, הביטוי המתמטי של החוק הראשון של התרמודינמיקה מקבל את הצורה:

Q v =U(1)

לפיכך, כל החום של התהליך האיזוכורי הולך להגברת האנרגיה הפנימית של המערכת.

2. תהליך איזובריהוא תהליך המתרחש בלחץ מתמיד. P \u003d const, עבודה עקב שינוי בנפח שווה ל A=P(V 2 -V1)=P V .

בהתחשב בביטוי החוק הראשון של התרמודינמיקה, עבור התהליך האיזוברי אנו מקבלים:

Qp \u003d U + A \u003d U 2 - U 1 +PV 2 -PV 1

Q p \u003d (U 2 + PV 2) - (U 1 + PV 1)

Q p \u003d H 2 -H 1 \u003d H (2)

לפיכך, החום של התהליך האיזוברי מושקע בהגדלת האנתלפיה.

יחסים (1) ו-(2) מאפשרים להעריך כמויות בסיסיות בתרמודינמיקה כמו השינוי באנרגיה הפנימית והאנטלפיה, בהתבסס על ערכים ניסיוניים של השפעות תרמיות של תגובות. ההשפעות התרמיות של תגובות כימיות נקבעות באמצעות קלורימטר.

התגובה הכימית מתרחשת בכלי דיואר 1 - כלי זכוכית עם דפנות כפולות בציפוי כסף מבפנים, אוויר נשאב החוצה מהמרווח שביניהם, וכתוצאה מכך דפנות הכלי כמעט ואינן מוליכות חום. לחילופי חום אחידים יותר עם הסביבה, הכלי ממוקם בתרמוסטט גדול 2 מלא במים (הטמפרטורה של התרמוסטט נשמרת קבועה במהלך הניסוי). הכלי סגור במכסה 3 עם שלושה חורים: למדחום 4, בוחש 5, מבחנות 6.

שאלה 3.השפעות תרמיות ומשוואות תרמוכימיות. חוק הס.

הקטע של התרמודינמיקה הכימית, שבו נלמדות ההשפעות התרמיות של תגובות כימיות ותלותן בפרמטרים פיזיקוכימיים שונים, נקרא תרמוכימיה.

בתרמוכימיה משתמשים במשוואות תגובה תרמוכימיות, שבהן מצויין בהכרח מצב הצבירה של חומר, וההשפעה התרמית של התגובה נחשבת לאחד מתוצרי האינטראקציה.

לדוגמה, התגובה של היווצרות מים מחומרים פשוטים יכולה להיות מבוטא על ידי המשוואה התרמוכימית:

H 2 (g) + 1/2O 2 (g) \u003d H 2 O (g) + 242 kJ

המשמעות היא שהיווצרות של 1 מול מים גזים משחררת חום של 242 קילו-ג'יי. במקרה זה, השינוי באנתלפיה הוא H=-242kJ.

כל כמויות האנרגיה (השפעות תרמיות, אנרגיה פנימית, אנתלפיה) מתבטאות בדרך כלל בג'אול ומתייחסות לחלק מסוים של חומר - שומה (kJ/mol) או גרם (kJ/g).

הסימנים ההפוכים של H ו-Q אומרים זאת אנתלפיה מאפיינת שינויים תרמיים במערכת, וחום - בסביבה סביבה. (זה נכון למקרה שבו אין סוגים אחרים של עבודה, למעט עבודות ההרחבה)

תהליכים המשחררים חום נקראים אקסותרמי.בהם Q >0, H<0 (теплосодержание системы уменьшается).

תהליכים בהם נספג חום נקראים אנדותרמי.יש להם Q<0, H >0.

החשיבות של התחשבות במצב הצבירה מוסברת בכך שהמעבר ממצב צבירה אחד למשנהו קשור בעלויות אנרגיה, למשל:

H 2 O (g) \u003d H 2 O (g) + 44 קילו-ג'יי

כתוצאה מכך, ההשפעה התרמית של היווצרות מים נוזליים שונה ממים גזים ולא לפי ערך חום האידוי:

H 2(g) + ? O 2 (g) \u003d H 2 O (g) + 286 קילו-ג'יי

H 2(g) + ? O 2 (g) \u003d H 2 O (g) + 242 kJ

את ההשפעות התרמיות של תגובה ניתן לא רק למדוד, אלא גם לחשב לפי חוק הס:

אם ניתן להשתמש בחומרים נתונים בדרכים שונות להשגת מוצרים נתונים, אז ההשפעה התרמית בכל המקרים תהיה זהה.

במילים אחרות:

ההשפעה התרמית של תגובה כימית אינה תלויה בדרך שבה היא ממשיכה, אלא נקבעת רק על פי טבעם ומצבם של החומרים ותוצרי התגובה הראשוניים.

הס התכוון בהשפעה התרמית של תגובה לחום שנספג או משתחרר כתוצאה מתגובה המתרחשת או בנפח קבוע או בלחץ קבוע ואם הטמפרטורות של חומרי המוצא שוות.

המשמעות של חוק הס ברורה מתרשים האנטלפיה:

ניתן להמיר חומר A לחומר B בשתי דרכים. דרך 1: המרה ישירה עם אפקט תרמי H 1 . דו כיווני: ראשית, A הופך ל-C (H 2), ולאחר מכן חומר C הופך ל-B (H 3). לפי חוק הס:

H 1 \u003d H 2 + H 3

לחישוב ההשפעות התרמיות של תגובות, יש לזה חשיבות מעשית רבה תולדה של חוק הס:

ההשפעה התרמית של תגובה כימית בתנאים סטנדרטיים (T = 25 0 C (289 K) ו-p = 1 atm. (101325 Pa)) שווה לסכום החום הסטנדרטי של היווצרות מוצרים פחות סכום החום הסטנדרטי של היווצרות חומרי המוצא, תוך התחשבות במקדמים סטוכיומטריים.

החום הסטנדרטי (אנטלפיה) של היווצרות הואהוא ההשפעה התרמית של היווצרות 1 מול של תרכובת מחומרים פשוטים, בתנאי שכל מרכיבי המערכת נמצאים בתנאים סטנדרטיים. ההנחה היא כי חומרים פשוטים במקרה זה נמצאים בשינויים היציבים ביותר שלהם.

החום הסטנדרטי של היווצרות מצוין (לעיתים קרובות מדד זה או אחר מושמט). או, מבוטא ב-kJ/mol.

נלקחים חום היווצרות הסטנדרטי של חומרים פשוטים עבור אותם מצבים מצטברים שבהם חומרים אלה יציבים בתנאים סטנדרטיים אֶפֶס. אם חומר פשוט בתנאים סטנדרטיים יכול להתקיים בצורה של כמה שינויים, אז הוא שווה לאפס עבור היציב ביותר מבין השינויים.אז, גרפיט הוא שינוי יציב יותר של פחמן מאשר יהלום, אז גרפיט הוא אפס, יהלום הוא 1.9 קילו-ג'יי. חמצן מולקולרי O 2 הוא השינוי היציב ביותר של חמצן: אוזון O 3 וחמצן אטומי O פחות יציבים, ולכן O 2 \u003d 0, O \u003d 247.7 kJ, O 3 \u003d 142.3 kJ / mol.

הערכים של חום היווצרות הסטנדרטי של חומרים רבים ניתנים בספרות ההתייחסות. יחד עם זאת, לנוחות החישובים, במקרים רבים מחושבים ומונחים בטבלאות חום היווצרות הסטנדרטי של תרכובות כימיות במצבי צבירה כאלה שאינם יציבים (ואפילו בלתי אפשריים) בתנאים סטנדרטיים. לדוגמה, הטבלאות כוללות את האנטלפיה של היווצרות אדי מים בתנאים סטנדרטיים, השווה ל-241.8 קילו ג'ל/מול, אם כי בתנאים אלו הוא עובר לנוזל.

המשוואה התרמוכימית, חוק הס והשלכותיו נמצאים בשימוש נרחב לצורך עריכת מאזני חום של תהליכי ייצור וחישוב ציוד טכנולוגי.

לדוגמה, נדרש לקבוע את האנטלפיה של בעירה של חנקן חד חמצני, אם ידועים מקורות ההיווצרות:

NO (g) + ? O 2 (g) \u003d NO 2 (g), \u003d? KJ

N 2(ד) + ? O 2 (g) \u003d NO (g), \u003d 90.4 kJ

N 2 (g) + O 2 (g) \u003d NO 2 (g), \u003d 33.9 kJ

כדי לקבל את המשוואה התרמוכימית (1), יש צורך לשלב את המשוואות (2) ו-(3) המוכרות לנו באופן שכתוצאה מכך, כל החומרים שאינם משתתפים בתגובה (1) אינם נכללים; כדי לעשות זאת, עליך "להעיף" את המשוואה (2) ולהוסיף אותה למשוואה (3)

מבוא.חישובים תרמודינמיים מאפשרים להסיק שתהליך זה אפשרי, לבחור את התנאים לביצוע תגובה כימית, לקבוע את הרכב שיווי המשקל של התוצרים, לחשב את דרגות ההמרה הניתנות להשגה תיאורטית של החומרים ההתחלתיים ואת התשואות של התוצרים. , וכן השפעות אנרגטיות (חום התגובה, חום השינוי במצב הצבירה), הנחוץ להרכבת מאזני אנרגיה וקביעת עלויות האנרגיה.

המושגים החשובים ביותר של התרמודינמיקה הם "חום תהליך" ו"עבודה". הכמויות המאפיינות את מצבה של מערכת תרמודינמית נקראות פרמטרים תרמודינמיים. אלה כוללים: טמפרטורה, לחץ, נפח ספציפי, צפיפות, נפח טוחן, אנרגיה פנימית ספציפית. כמויות פרופורציונליות למסה (או לכמות החומר) של המערכת התרמודינמית הנחשבת נקראות נִרחָב;אלה הם נפח, אנרגיה פנימית, אנטלפיה, אנטרופיה. אִינטֶנסִיבִיהכמויות אינן תלויות במסה של המערכת התרמודינמית, ורק הן משמשות כפרמטרים תרמודינמיים כמצבים. אלה הם טמפרטורה, לחץ ו נִרחָבכמויות הקשורות ליחידת מסה, נפח או כמות של חומר. שינוי פרמטרים אינטנסיביים על מנת להאיץ תהליכים כימיים-טכנולוגיים נקרא הִתעַצְמוּת.

בתגובות אקסותרמיות, מלאי האנרגיה הפנימית של החומרים הראשוניים (U 1) גדול מזה של המוצרים המתקבלים (U 2). ההפרש ∆U = U 1 - U 2 הופך לצורת חום. להיפך, בתגובות אנדותרמיות, עקב ספיגת כמות מסוימת של חום, האנרגיה הפנימית של חומרים עולה (U 2 > U 1). ∆U מבוטא ב-J/mol או בחישובים טכניים הם מתייחסים ל-1 kg או 1 m 3 (לגזים). חקר ההשפעות התרמיות של תגובות או מצבי צבירה, או ערבוב, פירוק עוסק בסעיף של כימיה פיזיקלית או תרמודינמיקה כימית - תרמוכימיה. במשוואות תרמוכימיות מצוין השפעת החום של התגובה. לדוגמה: C (גרפיט) ​​+ O 2 \u003d CO 2 + 393.77 kJ / mol. לחום הפירוק יש סימן הפוך. טבלאות משמשות להגדרתם. לפי D.P. Konovalov, חום הבעירה נקבע מהיחס: שריפה Q = 204.2n + 44.4m + ∑x (kJ/mol), כאשר n הוא מספר המולים של חמצן הנדרש לבעירה מלאה של 1 מול של חומר נתון, m הוא מספר מולות המים שנוצרו במהלך בעירה של 1 מול חומר, ∑x הוא תיקון קבוע לסדרה הומולוגית נתונה. ככל שהוא יותר בלתי מגביל, כך יותר ∑x.

עבור פחמימנים אצטילן ∑x=213 kJ/mol. עבור פחמימנים אתילן ∑x=87.9 קילו-ג'יי/מול. עבור פחמימנים רוויים ∑x=0. אם למולקולה של התרכובת יש קבוצות פונקציונליות שונות וסוגי קשרים, אז המאפיין התרמי נמצא בסיכום.

ההשפעה התרמית של תגובה שווה לסכום חום ההיווצרות של תוצרי התגובה פחות סכום חום ההיווצרות של החומרים הראשוניים, תוך התחשבות במספר השומות של כל החומרים המשתתפים בתגובה. לדוגמה, לתגובה כללית: n 1 A + n 2 B \u003d n 3 C + n 4 D + Q x אפקט תרמי: Q x \u003d (n 3 Q C arr + n 4 Q D arr) - (n 1 Q A arr + n 2 Q B arr)

ההשפעה התרמית של תגובה שווה לסכום חום הבעירה של חומרי המוצא פחות סכום חום הבעירה של תוצרי התגובה, תוך התחשבות במספר המול של כל המגיבים. לאותה תגובה כללית:

Q x \u003d (n 1 Q A צריבה + n 2 Q B צריבה) - (n 3 Q C צריבה + n 4 Q D צריבה)

הִסתַבְּרוּתמהלך תגובות שיווי המשקל נקבע על ידי קבוע שיווי המשקל התרמודינמי, אשר נקבע על ידי:

К р = e - ∆ G º/(RT) = e - ∆ H º/ RT ∙ e ∆ S º/ R ניתוח של ביטוי זה מראה כי עבור תגובות אנדותרמיות (Q< 0, ∆Hº > 0) עם ירידה באנטרופיה (∆Sº< 0) самопроизвольное протекание реакции невозможно так как – ∆G > 0. להלן, הגישה התרמודינמית לתגובות כימיות תיחשב ביתר פירוט.

הרצאה 4

חוקי היסוד של התרמודינמיקה. החוק הראשון של התרמודינמיקה. קיבולת חום ואנתלפיה. אנתלפיה של תגובה. אנתלפיה של היווצרות התרכובת. אנתלפיה של בעירה. חוק הס והאנטלפיה של התגובה.

החוק הראשון של התרמודינמיקה:השינוי באנרגיה הפנימית (∆E) של המערכת שווה לעבודת הכוחות החיצוניים (A′) בתוספת כמות החום המועבר (Q): 1)∆E=A′+Q; או (סוג שני) 2)Q=∆E+A – כמות החום המועברת למערכת (Q) מושקעת על שינוי האנרגיה הפנימית שלה (∆E) ועבודה (A) שנעשתה על ידי המערכת. זהו אחד מסוגי חוק שימור האנרגיה. אם השינוי במצב המערכת קטן מאוד, אז: dQ=dE+δA - רשומה כזו לשינויים קטנים (δ). עבור גז (אידיאלי) δА=pdV. בתהליך האיזוכורי δA=0, אז δQ V =dE, שכן dE=C V dT, ואז δQ V =C V dT, כאשר C V היא קיבולת החום בנפח קבוע. בטווח טמפרטורות קטן, קיבולת החום קבועה, לכן Q V =C V ∆T. מתוך משוואה זו ניתן לקבוע את כושר החום של המערכת ואת חום התהליכים. C V - לפי חוק ג'ול-לנץ. בתהליך איזוברי המתקדם ללא עבודה מועילה, בהינתן ש-p קבוע וניתן להוציא אותו מהסוגר מתחת לסימן ההפרש, כלומר δQ P =dE+pdV=d(E+pV)=dH, כאן H היא האנטלפיה של המערכת. אנתלפיה היא סכום האנרגיה הפנימית (E) של המערכת והמכפלה של לחץ ונפח. ניתן לבטא את כמות החום במונחים של קיבולת חום איזוברית (С Р): δQ P =С Р dT, Q V =∆E(V = const) ו-Q P =∆H(p = const) - לאחר הכללה. מכאן נובע שכמות החום המתקבלת במערכת נקבעת באופן ייחודי על ידי שינוי בתפקוד מצב כלשהו (אנטלפיה) ותלויה רק ​​במצבים ההתחלתיים והסופיים של המערכת ואינה תלויה בצורת הנתיב שלאורכו התהליך מפותח. הוראה זו עומדת בבסיס השיקול של בעיית ההשפעות התרמיות של תגובות כימיות.

השפעה תרמית של התגובהקשור לשינוי במשתנה הכימי כמות חום, המתקבל על ידי המערכת שבה התרחשה התגובה הכימית ותוצרי התגובה לקחו את הטמפרטורה של הריאגנטים הראשוניים (ככלל, Q V ו-Q P).

תגובות עם השפעה תרמית שלילית, כלומר, עם שחרור חום לסביבה, נקרא אקסותרמי. תגובות עם חִיוּבִיאפקט תרמי, כלומר הולך עם ספיגת חום מהסביבה, נקראים אנדותרמי.

משוואת התגובה הסטוכיומטרית תהיה: (1) ∆H=∑b J H J - ∑a i H i או ∆H=∑y i H i ; j הם סמלים של מוצרים, i הם סמלים של ריאגנטים.

העמדה הזונקרא חוק הס: הכמויות Е i , H i הן פונקציות של מצב המערכת, וכתוצאה מכך, ∆H ו- ∆Е, ולכן ההשפעות התרמיות Q V ו-Q р (Q V =∆Е, Q р =∆H) תלויות רק במה חומרים מגיבים בתנאים נתונים ואיזה תוצרים מתקבלים, אך אינם תלויים בדרך שבה התרחש התהליך הכימי (מנגנון התגובה).

במילים אחרות, האנטלפיה של תגובה כימית שווה לסכום האנטלפיות של היווצרות מרכיבי התגובה כפול המקדמים הסטוכיומטריים של הרכיבים המתאימים, נלקחים עם סימן פלוס עבור מוצרים ועם סימן מינוס עבור חומרים מוצאים. בוא נמצא כדוגמה∆H עבור התגובה PCl 5 +4H 2 O=H 3 PO 4 +5HCl (2)

הערכים הטבלאיים של האנטלפיות של היווצרות מרכיב התגובה הם, בהתאמה, עבור PCl 5 - 463 קילו-ג'יי / מול, עבור מים (נוזל) - 286.2 קילו-ג'יי / מול, עבור H 3 PO 4 - 1288 קילו-ג'יי / מול, עבור HCl (גז) - 92.4 קילו ג'ל/מול. החלפת ערכים אלה בנוסחה: Q V =∆E, נקבל:

∆H=-1288+5(-92.4)–(-463)–4(-286.2)=-142kJ/mol

עבור תרכובות אורגניות, כמו גם עבור CO, קל לבצע את תהליך הבעירה ל-CO 2 ו- H 2 O. ניתן לכתוב את המשוואה הסטוכיומטרית לשריפה של תרכובת אורגנית עם הרכב C m H n O p כ :

(3) C m H n O p + (p-m-n / 4) O 2 \u003d mCO 2 + n / 2 H 2 O

לכן, האנטלפיה של הבעירה לפי (1) יכולה להתבטא במונחים של האנטלפיות של היווצרותה ויצירת CO 2 ו- H 2 O:

∆H sg =m∆H CO 2 +n/2 ∆H H 2 O -∆H CmHnOp

לאחר קביעת חום הבעירה של התרכובת הנחקרת בעזרת קלורימטר והכרת ∆H CO 2 ו- ∆H H 2 O , ניתן למצוא את האנטלפיה של היווצרותו.

חוק הסמאפשר לך לחשב את האנטלפיות של כל תגובות, אם עבור כל מרכיב של התגובה ידוע אחד מהמאפיינים התרמודינמיים שלו - האנטלפיה של היווצרות תרכובת מחומרים פשוטים. האנטלפיה של היווצרות תרכובת מחומרים פשוטים מובנת כ- ∆H של תגובה המובילה ליצירת שומה אחת של תרכובת מיסודות שנלקחו במצבי צבירה אופייניים שלהם ובשינויים אלוטרופיים.

הרצאה 5

החוק השני של התרמודינמיקה. אנטרופיה. פונקציית גיבס. שינויים בתפקוד הגיבס במהלך תגובות כימיות. קבוע שיווי משקל ותפקוד גיבס. הערכה תרמודינמית של ההסתברות לתגובה.

החוק השני של התרמודינמיקהקראו להצהרה שאי אפשר לבנות מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני. החוק התקבל באופן אמפירי ויש לו שני ניסוחים שווים זה לזה:

א) תהליך בלתי אפשרי, שהתוצאה היחידה שלו היא הפיכת כל החום המתקבל מגוף מסוים לעבודה שווה ערך לו;

ב) תהליך בלתי אפשרי, שהתוצאה היחידה שלו היא העברת אנרגיה בצורת חום מגוף שפחות מחומם לגוף חם יותר.

הפונקציה δQ/T היא ההפרש הכולל של פונקציה כלשהי S: dS=(δQ/T) arr (1) - פונקציה זו S נקראת האנטרופיה של הגוף.

כאן Q ו-S פרופורציונליים זה לזה, כלומר עם עלייה של (Q) (S) - עליות, ולהיפך. משוואה (1) מתאימה לתהליך שיווי משקל (הפיך). אם התהליך אינו שיווי משקל, האנטרופיה גדלה, ואז (1) משתנה:

dS≥(δQ/T)(2) לפיכך, כאשר מתרחשים תהליכים ללא שיווי משקל, האנטרופיה של המערכת גדלה. אם (2) מוחלף בחוק הראשון של התרמודינמיקה, נקבל: dE≤TdS-δA. נהוג לכתוב אותו בצורה: dE≤TdS-δA'-pdV, ומכאן: δA'≤-dE+TdS-pdV, כאן pdV היא עבודת הרחבת שיווי המשקל, δA' היא העבודה השימושית. שילוב של שני החלקים של אי שוויון זה לתהליך איזוחורי-איזותרמי מוביל לאי השוויון: א' ו'≤-∆E+T∆S(3). ואינטגרציה עבור התהליך האיזוברי-איזותרמי (Т=const, p=const) מובילה לאי-שוויון:

A’ P ≤ - ∆E+T∆S – p∆V=-∆H + T∆S (4)

ניתן לכתוב את החלקים הימניים (3 ו-4) כשינויים לפונקציות מסוימות, בהתאמה:

F=E-TS(5) ו-G=E-TS+pV; אוֹ G=H-TS (6)

F היא אנרגיית הלמהולץ ו-G היא אנרגיית גיבס, ואז (3 ו-4) ניתן לכתוב כ-A' V ≤-∆F (7) ו-A' P ≤-∆G (8). חוק השוויון מתאים לתהליך שיווי משקל. במקרה זה, העבודה השימושית ביותר נעשית, כלומר, (A’ V) MAX = -∆F, ו-(A’ P) MAX = -∆G. F ו-G נקראים בהתאמה פוטנציאל איזוחורי-איזותרמי ואיזוברי-איזותרמי.

שיווי משקל של תגובות כימיותמאופיין בתהליך (תרמודינמי) שבו המערכת עוברת סדרה מתמשכת של מצבי שיווי משקל. כל אחד מהמצבים הללו מאופיין בחוסר השתנות (בזמן) של פרמטרים תרמודינמיים ובהיעדר חומר וזרימת חום במערכת. מצב שיווי המשקל מאופיין בטבעו הדינמי של שיווי המשקל, כלומר, השוויון בין תהליכים ישירים והפוכים, הערך המינימלי של אנרגיית גיבס ואנרגיית הלמהולץ (כלומר, dG=0 ו-d 2 G>0; dF =0 ו-d 2 F>0). בשיווי משקל דינמי, קצבי התגובות קדימה ואחורה זהים.יש להקפיד גם על המשוואה:

µ J dn J =0, כאשר µ J =(ðG/ðn J) T , P , h =G J הוא הפוטנציאל הכימי של רכיב J; n J היא כמות הרכיב J (מול). ערך גדול של µJ מצביע על תגובתיות גבוהה של החלקיקים.

∆Gº=-RTLnK p(9)

משוואה (9) נקראת משוואת האיזותרמית van't Haff. הערך של ∆Gº בטבלאות בספרות ההתייחסות לאלפים רבים של תרכובות כימיות.

K p \u003d e - ∆ G º / (RT) \u003d e - ∆ H º / RT ∙ e ∆ S º / R (11). מתוך (11) ניתן לתת אומדן תרמודינמי של ההסתברות להתרחשות התגובה. אז, עבור תגובות אקסותרמיות (∆Нº<0), протекающих с возрастанием энтропии, К р >1, ו-∆G<0, то есть реакция протекает самопроизвольно. Для экзотермических реакций (∆Нº>0) עם ירידה באנטרופיה (∆Sº>0), הזרימה הספונטנית של התהליך בלתי אפשרית.

אם ל-∆Hº ו-∆Sº יש אותו סימן, ההסתברות התרמודינמית להתנהלות התהליך נקבעת על ידי הערכים הספציפיים של ∆Hº, ∆Sº ו-Tº.

שקול, באמצעות הדוגמה של תגובת סינתזת האמוניה, את ההשפעה המשולבת של ∆Н o ו∆S o על האפשרות ליישם את התהליך:

עבור תגובה זו, ∆Н o 298 = -92.2 kJ/mol, ∆S o 298 = -198 J / (מול * K), T∆S o 298 = -59 kJ/mol, ∆G o 298 = -33, 2kJ/mol.

ניתן לראות מהנתונים הנתונים שהשינוי באנטרופיה הוא שלילי ואינו מעדיף את התגובה, אך יחד עם זאת, התהליך מאופיין בהשפעת אנטלפיה שלילית גדולה ∆Hº, שבגללה התהליך אפשרי. עם עלייה בטמפרטורה, התגובה, כפי שמוצגת על ידי נתונים קלורימטריים, הופכת אפילו יותר אקסותרמית (ב-T=725K, ∆H=-113kJ/mol), אך עם ערך שלילי של ∆S®, עלייה בטמפרטורה מפחיתה מאוד את הסבירות להתרחשות התהליך.

אחת השאלות החשובות ביותר בכימיה היא שאלת האפשרות של תגובה כימית. קריטריון כמותי להיתכנות הבסיסית של תגובה כימית הוא, במיוחד, הפונקציה האופיינית של מצב המערכת, הנקראת אנרגיית גיבס (G). לפני שנמשיך לבחינה של קריטריון זה, הבה נתעכב על מספר הגדרות.

תהליכים ספונטניים.תהליכים ספונטניים הם תהליכים המתרחשים ללא אספקת אנרגיה ממקור חיצוני. תהליכים כימיים רבים הם ספונטניים, כמו פירוק סוכר במים, חמצון של מתכות באוויר (קורוזיה) וכו'.

תהליכים הפיכים ובלתי הפיכים.תגובות כימיות רבות נמשכות בכיוון אחד עד שהמגיבים מותשים לחלוטין. תגובות כאלה נקראות בלתי הפיך מבחינה כימית. דוגמה לכך היא האינטראקציה של נתרן ומים.

תגובות אחרות ממשיכות תחילה בכיוון קדימה, ולאחר מכן בכיוון קדימה ואחורה עקב האינטראקציה של תוצרי התגובה. כתוצאה מכך נוצרת תערובת המכילה גם את חומרי המוצא וגם את תוצרי התגובה. תגובות כאלה נקראות הפיך כימית.כתוצאה מתהליך הפיך כימית, שיווי משקל כימי אמיתי (יציב)., המאופיין בתכונות הבאות:

1) בהיעדר השפעות חיצוניות, מצב המערכת נשאר ללא שינוי ללא הגבלת זמן;

2) כל שינוי בתנאים החיצוניים מביא לשינוי במצב המערכת;

3) מצב שיווי המשקל אינו תלוי מאיזה צד מגיעים אליו.

דוגמה למערכת בשיווי משקל אמיתי היא תערובת אקווימולקולרית

CO (g) + H 2 O (g) CO 2 (g) + H 2 (g).

כל שינוי בטמפרטורה או בתנאים אחרים גורם לשינוי בשיווי המשקל, כלומר. שינוי בהרכב המערכת.

בנוסף לשיווי משקל אמיתיים, לעיתים קרובות נתקלים בשיווי משקל לכאורה (שקרי, מופרע), כאשר מצב המערכת נמשך בזמן זמן רב מאוד, אך השפעה קטנה על המערכת יכולה להוביל לשינוי חזק במצבה. דוגמה לכך היא תערובת של מימן וחמצן, אשר בטמפרטורת החדר בהיעדר השפעות חיצוניות יכולה להישאר ללא שינוי ללא הגבלת זמן. עם זאת, די בהחדרת אסבסט פלטיני (זרז) לתערובת זו, מכיוון שתתחיל תגובה אנרגטית.

H 2 (g) + O 2 (g) \u003d H 2 O (g),

מה שמוביל למיצוי מוחלט של חומרי המוצא.

אם אותו זרז מוכנס באותם תנאים למים נוזליים, אז אי אפשר להשיג את התערובת הראשונית.

אנטרופיה.ניתן לאפיין את המצב של כל מערכת על ידי ערכים של פרמטרים שנמדדו ישירות (p, T וכו'). זֶה מאפיין את מצב המקרו של המערכת.ניתן לתאר את מצב המערכת גם לפי המאפיינים של כל חלקיק של המערכת (אטום, מולקולה): קואורדינטה, תדירות רטט, תדר סיבוב וכו'. זֶה מאפיין את המיקרו-מצב של המערכת.מערכות מורכבות ממספר גדול מאוד של חלקיקים, כך שמצב מאקרו אחד יתאים למספר עצום של מיקרו-מצבים שונים. מספר זה נקרא ההסתברות התרמודינמית של המצב והוא מסומן כ W.

הסתברות תרמודינמית קשורה למאפיין אחר של החומר - אנטרופיה (S, J / (מול. K)) -נוסחת בולצמן

כאשר R הוא קבוע הגז האוניברסלי ו N A הוא קבוע אבוגדרו.

ניתן להסביר את המשמעות הפיזית של אנטרופיה על ידי ניסוי המחשבה הבא. תן לגביש אידיאלי של חומר כלשהו, ​​כגון נתרן כלורי, להתקרר לטמפרטורת אפס מוחלטת. בתנאים אלה, יוני הנתרן והכלור המרכיבים את הגביש הופכים למעשה ללא תנועה, ומצב מקרוסקופי זה מאופיין במיקרו-מצב יחיד, כלומר. W=1, ובהתאם ל (3.13) S=0. ככל שהטמפרטורה עולה, היונים מתחילים להתנודד סביב עמדות שיווי המשקל בסריג הגביש, מספר המיקרו-מצבים המקבילים למצב מאקרו אחד גדל, וכתוצאה מכך, S>0.

לכן, אנטרופיה היא מדד לאי-סדר במצב של מערכת.האנטרופיה של המערכת עולה בכל התהליכים המלווה בירידה בסדר (חימום, פירוק, אידוי, תגובות פירוק וכו'). תהליכים המתרחשים עם עלייה בסדר (קירור, התגבשות, דחיסה וכו') מביאים לירידה באנטרופיה.

אנטרופיה היא פונקציה של מצב, אך בניגוד לרוב הפונקציות התרמודינמיות האחרות, ניתן לקבוע באופן ניסיוני את הערך המוחלט של האנטרופיה של חומר. אפשרות זו מבוססת על ההנחה של מ' פלאנק, לפיה באפס מוחלט, האנטרופיה של גביש אידיאלי היא אפס(החוק השלישי של התרמודינמיקה).

תלות הטמפרטורה של האנטרופיה של חומר מוצגת באופן איכותי באיור. 3.1.

על איור. 3.1 ניתן לראות שבטמפרטורה השווה ל-0 K, האנטרופיה של חומר היא אפס. עם עלייה בטמפרטורה, האנטרופיה גדלה בצורה חלקה, ובנקודות של מעברי פאזה, מתרחשת עלייה פתאומית באנטרופיה, הנקבעת על ידי היחס

(3.14)

כאשר Δ f.p S, Δ f.p H ו-T f.p הם השינויים באנטרופיה, באנטלפיה ובטמפרטורת מעבר פאזה, בהתאמה.

האנטרופיה של חומר B במצב הסטנדרטי מסומנת כ. עבור חומרים רבים, הערכים האבסולוטיים של האנטרופיות הסטנדרטיות נקבעים וניתנים בספרי עיון.

אנטרופיה, כמו אנרגיה פנימית ואנתלפיה, היא פונקציה של מצב, ולכן השינוי באנטרופיה של מערכת בתהליך אינו תלוי בנתיב שלה ונקבע רק על פי המצב ההתחלתי והסופי של המערכת. ניתן למצוא את השינוי באנטרופיה במהלך תגובה כימית (3.10) כהפרש בין סכום האנטרופיות של תוצרי התגובה לבין סכום האנטרופיות של חומרי המוצא:

המושג אנטרופיה משמש באחד הניסוחים החוק השני של התרמודינמיקה: במערכות מבודדות, רק תהליכים המתרחשים עם עלייה באנטרופיה (ΔS>0) יכולים להתקדם באופן ספונטני.מערכות מבודדות מובנות כמערכות שאינן מחליפות חומר או אנרגיה עם הסביבה. מערכות שבהן מתרחשים תהליכים כימיים אינן שייכות למערכות מבודדות, משום הם מחליפים אנרגיה עם הסביבה (ההשפעה התרמית של התגובה), ובמערכות כאלה יכולים להתרחש גם תהליכים עם ירידה באנטרופיה.

SO 2 (g) + 2H 2 S (g) \u003d 3S (t) + 2H 2 O (l), אם האנטרופיות הסטנדרטיות של תחמוצת גופרית (IV), מימן גופרתי, גופרית ומים הן 248.1; 205.64; 31.88 ו-69.96 J/(מול K), בהתאמה.

פִּתָרוֹן.בהתבסס על משוואה (3.15), נוכל לכתוב:

האנטרופיה בתגובה זו פוחתת, הקשורה להיווצרות מוצרים מוצקים ונוזלים מחומרים גזים.

דוגמה 3.8.מבלי לבצע חישובים, קבע את הסימן של השינוי באנטרופיה בתגובות הבאות:

1) NH 4 NO 3 (c) \u003d N 2 O (g) + 2H 2 O (g),

2) 2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g),

3) 2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g).

פִּתָרוֹן.בתגובה (1), 1 מול של NH 4 NO 3 במצב גבישי יוצר 3 מול של גזים, לכן, D r S 1 >0.

בתגובות (2) ו-(3), הן המספר הכולל של שומות ומספר שומות של חומרים גזים יורדים. לכן, D r S 2<0 и D r S 3 <0. При этом уменьшение энтропии в реакции (3) больше, чем в реакции (2) , так как S о (H 2 O (ж)) < S о (H 2 O (г)).

אנרגיה של גיבס(פוטנציאל איזוברי-איזותרמי). במקרים רבים מתרחשים תהליכים ספונטניים בטבע בנוכחות הפרש פוטנציאלים, למשל, ההבדל בפוטנציאלים החשמליים גורם להעברת מטען, וההבדל בפוטנציאל הכבידה גורם לגוף ליפול. תהליכים אלו מסתיימים כאשר הפוטנציאל המינימלי מושג. הכוח המניע של תהליכים כימיים המתרחשים בלחץ וטמפרטורה קבועים הוא הפוטנציאל האיזוברי-איזותרמי, הנקרא אנרגיה של גיבסומסומן G. השינוי באנרגיה של גיבס בתהליך כימי נקבע על ידי היחס

ΔG = ΔH –TΔS, (3.16)

כאשר ΔG הוא השינוי באנרגיית גיבס של התהליך הכימי; ΔH הוא השינוי באנתלפיה של התהליך הכימי; ΔS הוא השינוי באנטרופיה של התהליך הכימי; T הוא טמפרטורה, K.

משוואה (3.16) יכולה להיות מיוצגת בצורה הבאה:

∆H = ∆G + T∆S. (3.17)

משמעות המשוואה (3.17) היא שחלק מהשפעת החום של התגובה מושקעת בביצוע עבודה (ΔG), וחלק מתפזר לסביבה (TΔS).

אנרגיית גיבס היא קריטריון לאפשרות הבסיסית של תגובה ספונטנית. אם האנרגיה של גיבס יורדת במהלך התגובה, התהליך יכול להתקדם באופן ספונטני בתנאים הבאים:

ΔG< 0. (3.18)

התהליך בתנאים אלה אינו בר ביצוע אם

ΔG > 0. (3.19)

ביטויים (3.18) ו- (3.19) אומרים בו זמנית שהתגובה ההפוכה לא יכולה (3.18) או יכולה (3.19) להתקדם באופן ספונטני.

התגובה היא הפיכה, כלומר. יכול לזרום בכיוונים קדימה וגם לאחור, אם

משוואה (3.20) היא מצב תרמודינמי לשיווי משקל כימי.

יחסים (3.18) - (3.20) ישימים גם על שיווי משקל שלבים, כלומר. למקרים שבהם שני שלבים (מצבים מצטברים) של אותו חומר נמצאים בשיווי משקל, למשל, קרח ומים נוזליים.

גורמי אנתלפיה ואנטרופיה.עולה ממשוואות (3.16) ו-(3.18) שתהליכים יכולים להתקדם באופן ספונטני (ΔG<0), если они сопровождаются уменьшением энтальпии (ΔH<0) и увеличением энтропии системы (ΔS>0). אם האנטלפיה של המערכת עולה (ΔH>0), והאנטרופיה יורדת (ΔS<0), то такой процесс протекать не может (ΔG>0). עם סימנים אחרים של ΔS ו-ΔН, האפשרות הבסיסית של הליך התהליך נקבעת על ידי היחס בין גורמי האנטלפיה (ΔH) והאנטרופיה (ТΔS).

אם ΔН>0 ו-ΔS>0, כלומר. מכיוון שמרכיב האנטלפיה נוגד, ומרכיב האנטרופיה מעדיף את מהלך התהליך, הריאקציה יכולה להתקדם באופן ספונטני עקב מרכיב האנטרופיה, בתנאי ש |ΔH|<|TΔS|.

אם מרכיב האנטלפיה מעדיף והאנטרופיה מנוגדת לתהליך, הרי שהתגובה יכולה להתקדם באופן ספונטני בגלל מרכיב האנטלפיה, בתנאי ש |ΔH|>|TΔS|.

השפעת הטמפרטורה על כיוון התגובה.הטמפרטורה משפיעה על מרכיבי האנתלפיה והאנטרופיה של אנרגיית הגיב, מה שעלול להיות מלווה בשינוי בסימן של אנרגיית הגיב של תגובות אלו, ומכאן כיוון התגובות. להערכה גסה של הטמפרטורה שבה משתנה הסימן של אנרגיית הגיבס, נוכל להזניח את התלות של ΔН ו-ΔS בטמפרטורה. לאחר מכן נובע מהמשוואה (3.16) שהסימן של אנרגיית גיבס ישתנה בטמפרטורה

ברור ששינוי הסימן של אנרגיית Gibbs עם שינוי טמפרטורה אפשרי רק בשני מקרים: 1) ΔН>0 ו-ΔS>0 ו-2) ΔН<0 и ΔS<0.

אנרגיית היווצרות הסטנדרטית של גיבס היא השינוי באנרגיית הגיבס של תגובת היווצרות של 1 מול של תרכובת מחומרים פשוטים יציבים בתנאים סטנדרטיים. ההנחה היא שאנרגיית גיבס של היווצרות חומרים פשוטים היא אפס. ניתן למצוא את האנרגיות הסטנדרטיות של גיבס של היווצרות חומרים בספרי העיון הרלוונטיים.

אנרגיית גיבס של תגובה כימית.אנרגיית גיבס היא פונקציית מצב, כלומר. השינוי שלו בתהליך אינו תלוי בנתיב הזרימה שלו, אלא נקבע על פי המצב ההתחלתי והסופי של המערכת. לכן, ניתן לחשב את אנרגיית גיבס של התגובה הכימית (3.10) מהנוסחה

שימו לב שהמסקנות לגבי האפשרות הבסיסית של הליך התגובה במונחים של Δ r G ישימות רק לאותם תנאים שעבורם מחושב השינוי באנרגיית הגיבס של התגובה. אם התנאים שונים מהתקן, ניתן להשתמש במשוואה כדי למצוא את Δ r G איזותרמיות של ואן הוף, אשר עבור התגובה (3.10) בין גזים נכתב כ

(3.23)

ובין מומסים

(3.24)

היכן נמצאים הלחצים החלקיים של החומרים המתאימים; c A, c B, c D , c E הם הריכוזים של החומרים המומסים המתאימים; a, b, d, e הם המקדמים הסטוכיומטריים המתאימים.

אם המגיבים נמצאים במצב הסטנדרטי, אז המשוואות (3.23) ו- (3.24) הופכות למשוואה

דוגמה 3.9.קבע את אפשרות התגובה NH 3 (g) + HCl (g) \u003d NH 4 Cl (k) בתנאים סטנדרטיים בטמפרטורה של 298.15 K, תוך שימוש בנתונים על אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות ואנטרופיות.

פִּתָרוֹן.בהתבסס על המסקנה הראשונה של חוק הס, אנו מוצאים את האנטלפיה הסטנדרטית של התגובה:

; התגובה היא אקסותרמית, לכן, מרכיב האנתלפיה מעדיף את התגובה.

אנו מחשבים את השינוי באנטרופיה של התגובה לפי המשוואה

התגובה מלווה בירידה באנטרופיה, כלומר מרכיב האנטרופיה נוגד את התגובה.

אנו מוצאים את השינוי באנרגיית גיבס של התהליך לפי משוואה (3.16):

לפיכך, תגובה זו יכולה להתקדם באופן ספונטני בתנאים סטנדרטיים.

דוגמה 3.10.באמצעות נתונים על אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות ואנטרופיות, קבע באיזו טמפרטורה תתרחש שיווי משקל במערכת N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g).

פִּתָרוֹן.תנאי שיווי המשקל עבור המערכת הוא ΔG=0. לשם כך, באמצעות יחס (3.21), נמצא את הטמפרטורה שבה ΔG=0. חשב את האנתלפיה והאנטרופיה הסטנדרטיים של התגובה:

מרכיב האנתלפיה מעדיף, ומרכיב האנטרופיה מתנגד לתגובה, כלומר בטמפרטורה מסוימת ניתן לשנות את הסימן של אנרגיית הגיב, כלומר לשנות את כיוון התגובה.

מצב שיווי המשקל ייכתב כך:

∆G = ∆H –T∆S,

או, בהחלפת ערכים מספריים, נקבל

0 \u003d - 92.38 - T (-198.3) 10 -3.

לכן, התגובה תהיה בשיווי משקל בטמפרטורה

ל.

מתחת לטמפרטורה זו, התגובה תתנהל בכיוון קדימה, ומעל לטמפרטורה זו, בכיוון ההפוך.

דוגמה 3.11.בטמפרטורה מסוימת T, התגובה האנדותרמית A®B כמעט מסתיימת. קבע: א) הסימן D r S של התגובה; ב) סימן DG של התגובה B ® A בטמפרטורה T; ג) אפשרות התגובה B ® A בטמפרטורות נמוכות.

פִּתָרוֹן.א) ההתרחשות הספונטנית של התגובה A ® B מצביעה על כך ש-DG<0. Поскольку DН>0, ואז מהמשוואה
DG = DH - TDS מרמז ש-DS>0; לתגובה הפוכה B ® A DS<0.

ב) לתגובה A ® B DG<0. Следовательно, для обратной реакции при той же температуре DG>0.

ג) התגובה A ® B היא אנדותרמית (DH<0), следовательно, обратная реакция В ® А экзотермическая. При низких температурах абсолютная величина члена TDS мала, так что знак DG определяется знаком DН. Следовательно, при достаточно низких температурах протекание реакции В ® А возможно.

דוגמה 3.12.חשב את הערך של אנרגיית Gibbs וקבע אם התגובה CO + Cl 2 ÛCOCl 2 אפשרית בטמפרטורה של 700 K, אם קבוע שיווי המשקל של התגובה בטמפרטורה זו הוא 10.83 atm -1 והלחצים החלקיים של כל הרכיבים הם זהה ושווה לאחד.

פִּתָרוֹן.הקשר D r G 0 ו- K r של התגובה A + B Û C + D ניתן על ידי משוואת האיזותרמית (3.22)

בתנאים סטנדרטיים, כאשר הלחץ החלקי של כל מגיב הוא 1 atm, יחס זה יקבל את הצורה

כתוצאה מכך, התגובה ב-T=700 K יכולה להתקדם באופן ספונטני בכיוון קדימה.

שאלות ומשימות ללימוד עצמי

1. תן את הערכים המספריים של לחץ וטמפרטורה במערכת היחידות הבינלאומית, וכן באטמוספרות, מילימטרים כספית ומעלות צלזיוס, התואמים לתנאים סטנדרטיים ונורמליים.

2. באיזה תנאי מתקיימים פונקציות המדינה? מה קובע את השינוי בערך של פונקציית המדינה בתהליך?

3. הקביעות של אילו פרמטרים מאפיינת תהליכים איזובריים-איזותרמיים ואיזוחוריים-איזותרמיים?

4. נסח את החוק הראשון של התרמודינמיקה.

5. באילו תנאים תהיה ההשפעה התרמית של התהליך: א) שווה לשינוי באנתלפיה של תהליך זה; ב) שווה לשינוי באנרגיה הפנימית של התהליך?

6. התגובה הכימית מתרחשת בכור אטום. השינוי באיזו תפקוד מצב יקבע את ההשפעה התרמית של התגובה?

7. בזמן תגובה כימית, הטמפרטורה של המערכת עולה. האם תהליך זה אקסותרמי או אנדותרמי? איזה סימן (+) או (-) יש לשינוי האנטלפיה של תהליך זה?

8. נסח את חוק הס.

9. הגדירו את המונח "אנטלפיה סטנדרטית של היווצרות חומר".

10. מהן האנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות כלור מולקולרי ויציבה בטמפרטורה של 298 K שינוי של ברזל α-Fe?

11. האנתלפיה הסטנדרטית של היווצרות זרחן לבן היא אפס, ואדום - (-18.41) kJ / mol. איזה מהשינויים האלוטרופיים יציב יותר בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס?

12. נסח את המסקנה הראשונה של חוק הס.

13. הגדירו את המושג "אנטלפיה סטנדרטית של בעירה של חומר".

14. כיצד אנתלפיה סטנדרטית של היווצרות פחמן דו חמצני ואנתלפיה סטנדרטית של בעירה יציבות בשינוי T = 298 K של פחמן - גרפיט?

15. תן 3 דוגמאות לתהליכים כימיים ספונטניים.

16. רשום את הסימנים לשיווי משקל כימי (אמיתי).

17. תנו דוגמאות לתהליכים המלווים ב: א) עלייה באנטרופיה; ב) ירידה באנטרופיה.

18. איזה סימן צריך להיות לשינוי באנטרופיה של תגובה המתרחשת באופן ספונטני אם Δ r Н=0?

19. איזה סימן צריך להיות לשינוי באנטרופיה של התגובה של פירוק תרמי של סידן פחמתי? למה? כתוב את משוואת התגובה.

20. אילו תכונות תרמודינמיות של המשתתפים בתגובה עליך לדעת כדי לפתור את סוגיית האפשרות של תגובה?

21. תגובה אקסותרמית בין גזים מלווה בעלייה בנפח. מה ניתן לומר על האפשרות של תגובה כזו?

22. באיזה מהמקרים הבאים ניתן לשנות את כיוון התגובה עם שינוי בטמפרטורה: א) DH<0, DS<0; б) DH>0, DS>0; ג) ד"ה<0, DS>0; ד) ד"ה>0, ד"ס<0?

23. מצא את האנטלפיה הסטנדרטית לחמצון של תחמוצת גופרית (IV) גזית עם חמצן לתחמוצת גופרית (VI) גזית. אנטלפיות סטנדרטיות של היווצרות SO 2 - (-297 קילו-ג'יי / מול) ו-SO 3 - (-395 קילו-ג'יי / מול).

תשובה: -196 קילו-ג'יי.

24. ציין את הסימן לשינוי באנטרופיה בתגובות הבאות:

א) CO (G) + H 2 (G) \u003d C (T) + H 2 O (G);

ב) CO 2 (G) + C (T) \u003d 2CO (G);

ג) FeO (T) + CO (G) \u003d Fe (T) + CO 2 (G);

ד) H 2 O (W) \u003d H 2 O (G);

תשובה: א) (-); ב) (+); c)(~0); ד) (+); ה) (-).

25. מצא את האנטרופיה הסטנדרטית של התגובה של חמצון של תחמוצת גופרית (IV) גזית עם חמצן לתחמוצת גופרית (VI) גזית. אנטרופיה סטנדרטית של היווצרות SO 2 - (248 J / (מול K), SO 3 - (256 J / (מול K)), O 2 - (205 J / (מול K)).

תשובה: -189 J/K.

26. מצא את האנטלפיה של התגובה לסינתזה של בנזן מאצטילן, אם האנטלפיה של הבעירה של בנזן היא (-3302 קילו-ג'יי/מול), ואצטילן - (-1300 קילו-ג'יי/מול).

תשובה: - 598 קילו-ג'יי.

27. מצא את אנרגיית גיבס הסטנדרטית של תגובת הפירוק של נתרן ביקרבונט. האם ייתכן שהתגובה תתקדם באופן ספונטני בתנאים אלו?

תשובה: 30.88 קילו-ג'יי.

28. מצא את אנרגיית Gibbs הסטנדרטית של התגובה 2Fe (T) + 3H 2 O (G) \u003d Fe 2 O 3 (T) + 3H 2 (G) (תגובות קורוזיה של פלדת פחמן עם אדי מים). האם ייתכן שהתגובה תתקדם באופן ספונטני בתנאים אלו?

תשובה: -54.45 קילו-ג'יי.

29. באיזו טמפרטורה יתרחש שיווי משקל כימי במערכת 2NO (g) + O 2 (g) Û 2NO 2 (g)?

תשובה: 777 K.

30. מצא את ההשפעה התרמית של תהליך האידוי של 1 גרם מים (חום אידוי ספציפי) בטמפרטורה של 298 K, אם האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות H 2 O (l) היא (-285.84 קילו-ג'יי/מול), וגזי - (-241.84 קילו ג'ל/מול).

תשובה: 2.44 קילו-ג'יי/ג.

3.4 משימות לבקרות שוטפות ובקרה ביניים

סעיף א'

1. תהליך היווצרות פחמן דו חמצני במהלך בעירה של גרפיט בחמצן יכול להתנהל בשתי דרכים:

I. 2C (g) + O 2 (g) \u003d 2CO (g); 2CO (g) + O 2 \u003d 2CO 2 (g), D r H ° \u003d -566 kJ.

II. C (gr) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g), D r H ° \u003d -393 kJ.

מצא D f H°(CO).

תשובה: -110 קילו-ג'יי/מול.

2. חשב את האנטלפיה של היווצרות ואנתלפיה של בעירה של פחמן חד חמצני (CO) על סמך התגובות הבאות:

I. 2C (g) + O 2 (g) \u003d 2CO (g), D r H ° \u003d -220 kJ.

II. 2CO (g) + O 2 (g) \u003d 2CO 2 (g), D r H ° \u003d -566 kJ.

תשובה: -110 kJ/mol; -283 קילו ג'ל/מול.

3. מצא את האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות נתרן סולפיט מהמשוואה התרמוכימית

4Na 2 SO 3 (cr) \u003d 3Na 2 SO 3 (cr) + Na 2 S (cr) - 181.1 kJ,

אם kJ/mol ו kJ/mol.

תשובה: -1090 קילו-ג'יי/מול.

4. מצא את האנטלפיה הסטנדרטית של בעירה של מתאן על סמך התגובה CH 4 (g) + 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (g), D r H ° \u003d -802 kJ.

תשובה: -802 קילו-ג'יי/מול.

5. חזה אם זה יהיה חיובי או שלילי

שינוי באנטרופיה של המערכת בתגובות:

א) H 2 O (g) ® H 2 O (g) (בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס);

ב) CaCO 3 (t) ® CaO (t) + CO 2 (g);

ג) N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g);

ד) N 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2NO (g);

ה) Ag + (פתרון) + Cl - (פתרון) = AgCl (t).

תן הסברים בלי לעשות חישובים.

תשובה: א) +; ב) +; V) -; ד) ~0; ה) -.

6. חזה את הסימן של מערכת ה-DS בכל אחד מהבאים

תהליכים:

א) אידוי של 1 מול CCl 4(g);

ב) Br 2(g) → Br 2(g);

ג) משקעים של AgCl(t) על ידי ערבוב NaCl(aq.) ו-AgNO 3 (aq.).

תן הסברים.

תשובה: א) +; ב) -; V)-.

7. באמצעות הערכים הטבלאיים של הערכים המוחלטים של האנטרופיות של חומרים בתנאים סטנדרטיים (S°), השווה את ערכי האנטרופיות המוחלטות של חומרים בטמפרטורה של 298 K בכל אחד מהזוגות הבאים :

א) O 2 (g) ו- O 3 (g);

ב) C (יהלום) ו-C (גרפיט);

ג) NaCl (t) ו-MgCl 2(t).

הסבר את הסיבה להבדל ב- S° בכל מקרה.

8. חשב D r S° לתגובות

א) N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g); ב) 2SO 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2SO 3 (g),

שימוש בערכים טבלאיים של האנטרופיות המוחלטות של חומרים בתנאים סטנדרטיים.

תשובה: א) -197.74 J/K; ב) -188.06 J/K.

9. שימוש בערכים הטבלאיים של ה-en-absolute

טרופיום (S°), חשב D r S° עבור התהליכים הבאים:

א) CO (g) + 2H 2 (g) \u003d CH 3 OH (g);

ב) 2HCl (g) + Br 2 (g) \u003d 2HBr (g) + Cl 2 (g);

ג) 2NO 2 (g) = N 2 O 4 (g).

האם הסימן של D r S° מתאים בכל מקרה לזו שיש לצפות על בסיס ייצוגים איכותיים? הסבר תשובות.

תשובה: א) -218.83 J/K; ב) 94.15 J/K; ג) -175.77 J/K.

10. האנתלפיה הסטנדרטית של היווצרות CO (g) היא -110.5 קילו ג'ל/מול. הבעירה של 2 מול CO (g) שיחררה חום של 566 קילו-ג'יי. לחשב

תשובה: -393.5 קילו-ג'יי/מול.

11. קבע את כמות החום המשתחררת בעת כיבוי 100 ק"ג סיד במים: CaO (k) + H 2 O (l) \u003d Ca (OH) 2 (k), אם החום הסטנדרטי של היווצרות CaO (k), H 2 O (l) , Ca(OH) 2(k) הם -635.14 בהתאמה; -285.84; -986.2 קילו ג'ל/מול.

תשובה: -1165357.2 קילו-ג'יי.

12. קבע את האנטלפיה של פירוק מי חמצן (H 2 O 2) למים וחמצן באמצעות הנתונים שלהלן:

SnCl 2 (p) + 2HCl (p) + H 2 O 2 (p) \u003d SnCl 4 (p) + 2H 2 O (l), D r H ° \u003d -393.3 kJ;

SnCl 2 (p) + 2HCl (p) + 1 / 2O 2 (g) \u003d SnCl 4 (p) + H 2 O (l), D r H ° \u003d -296.6 kJ.

תשובה: - 96.7 קילו-ג'יי.

13. חשב את כמות החום המשתחררת בייצור 10 6 ק"ג אמוניה ליום, אם

תשובה: -2.7. 10 9 קילו-ג'יי.

14. קבע על סמך הנתונים הבאים:

P 4 (cr) + 6Cl 2 (g) \u003d 4PCl 3 (l), D r H ° \u003d -1272.0 kJ;

PCl 3 (g) + Cl 2 (g) \u003d PCl 5 (cr), D r H ° \u003d -137.2 kJ.

תשובה: -455.2 קילו-ג'יי/מול.

15. חשב את השינוי באנטלפיה של התגובה בתנאים סטנדרטיים: H 2 (g) + 1 / 3O 3 (g) \u003d H 2 O (g), בהתבסס על הנתונים הבאים:

2O 3 (g) \u003d 3O 2 (g), D r H ° \u003d -288.9 kJ,

kJ/mol.

תשובה: -289.95 קילו-ג'יי.

16. חשב את האנטלפיה הסטנדרטית של תגובת היווצרות PbO באמצעות הנתונים הבאים:

1) 2Pb (cr) + O 2 (g) \u003d 2PbO 2 (cr) - 553.2 kJ;

2) 2PbO 2 (cr) \u003d 2PbO (cr)) + O 2 (g) + 117.48 kJ.

תשובה: -217.86 קילו-ג'יי/מול.

17. חשב את האנטלפיה הסטנדרטית של תגובת היווצרות CuCl באמצעות הנתונים הבאים:

1) CuCl 2 (cr) + Cu (cr) = 2 CuCl (cr) - 63.5 kJ;

2) Cu (cr) + Cl 2 (g) = CuCl 2 (cr) - 205.9 kJ.

תשובה: 134.7 קילו-ג'יי/מול.

18. חשב Δ f H° של מתיל אלכוהול במצב נוזלי, תוך ידיעת הנתונים הבאים:

H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) \u003d H 2 O (g), D r H ° \u003d -285.8 kJ;

C (gr) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g), D r H ° \u003d -393.7 kJ;

CH 3 OH (l) + 3 / 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (l), D r H ° \u003d -715.0 kJ.

תשובה: -250.3 קילו-ג'יי/מול.

19. האנתלפיות הסטנדרטיות של בעירה של בנזן ואצטילן הן -3270 ו -1302 קילו ג'ל/מול, בהתאמה. קבע D r H ° של ההמרה של אצטילן לבנזן: 3C 2 H 2 (g) \u003d C 6 H 6 (g).

תשובה: -636 קילו-ג'יי.

20. קבע את האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות תחמוצת ברזל (III), אם השתחררו 146.8 קילו ג'יי של חום במהלך החמצון של 20 גרם ברזל.

תשובה: -822 קילו-ג'יי/מול.

21. חשב את כמות החום שמשתחררת בעת קבלת 22.4 ליטר אמוניה (n.o.) אם

N 2 (g) + 3H 2 (g) \u003d 2NH 3 (g), D r H ° \u003d -92 kJ.

תשובה: -46 קילו-ג'יי.

22. קבע את Δ f H° של אתילן באמצעות הנתונים הבאים.

C 2 H 4 (g) + 3O 2 (g) \u003d 2CO 2 (g) + 2H 2 O (g) -1323 kJ;

C (גר) + O 2 (ג) \u003d CO 2 (ג) -393.7 קילו-ג'יי;

H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) \u003d H 2 O (g) -241.8 קילו-ג'יי.

תשובה: 52 קילו-ג'יי/מול.

23. חשב את האנטלפיה של תגובה F (g) + Li (g) \u003d F - (g) + Li + (g),

אם F (g) + e \u003d F - (g) -322 קילו-ג'יי / מול;

Li (g) \u003d Li + (g) + e + 520 kJ/mol.

תשובה: 198 קילו-ג'יי.

24. חשב את האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות Hg 2 Br 2 באמצעות הנתונים הבאים:

1) HgBr 2 (cr) + Hg (g) = Hg 2 Br 2 (cr) - 37.32 kJ;

2) HgBr 2 (cr) \u003d Hg (l) + Br 2 (l) + 169.45 kJ.

תשובה: -206.77 קילו-ג'יי/מול.

25. חשב את האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות נתרן ביקרבונט באמצעות הנתונים הבאים:

2NaHCO 3 (cr) \u003d Na 2 CO 3 (cr) + CO 2 (g) + H 2 O (g) + 130.3 kJ,

אם kJ/mol;

C (גר) + O 2 (ג) \u003d CO 2 (ג) - 393.7 קילו-ג'יי; H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) \u003d H 2 O (g) -241.8 קילו-ג'יי.

תשובה: -947.4 קילו-ג'יי/מול.

26. חשב את האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות CaCO 3 (cr) באמצעות הנתונים הבאים:

Ca (OH) 2 (c) + CO 2 (g) \u003d CaCO 3 (cr) + 173.9 kJ;

C (גר) + O 2 (ג) \u003d CO 2 (ג) - 393.7 קילו-ג'יי;

kJ/mol.

תשובה: -1206 קילו-ג'יי/מול.

27. קבע את האנטלפיה הסטנדרטית של היווצרות תחמוצת ברזל (III), אם במהלך התגובה

2Fe + Al 2 O 3 \u003d Fe 2 O 3 + 2Al

על כל 80 גרם של Fe 2 O 3, נספגים 426.5 קילו ג'יי חום, kJ/mol.

תשובה: -823 קילו-ג'יי/מול.

28. כמה חום יש להוציא כדי להשיג 11.2 ק"ג ברזל, אם בהתאם למשוואה התרמוכימית, FeO (t) + H 2 (g) \u003d Fe (t) + H 2 O (g) + 23 kJ .

תשובה: 4600 קילו-ג'יי.

29. מצא את חום הבעירה של יהלום אם חום הבעירה הסטנדרטי של גרפיט הוא -393.51 קילו ג'ל/מול, והחום הוא

ומעבר הפאזה С(גרפיט) ​​® С(יהלום) הוא

1.88 קילו-ג'יי/מול.

תשובה: -395.39 קילו-ג'יי/מול.

30. כמה חום משתחרר כאשר 1 ק"ג של זרחן אדום הופך לזרחן שחור, אם ידוע,

שהאנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות זרחן אדום ושחור הן -18.41 ו-43.20 קילו ג'ל/מול, בהתאמה.

תשובה: -800 קילו-ג'יי.

סעיף II

חשב את השינוי הסטנדרטי באנרגיית גיבס של תגובה כימית בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס מתוך ערכי האנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות ואנטרופיות מוחלטות של תרכובות כימיות ובסס את האפשרות של תגובה ספונטנית:

1. 4NH 3g + 5O 2g = 4NO g + 6H 2 O g.

תשובה: -955.24 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

2. SO 2g + 2H 2 S g \u003d 3S ל + 2H 2 O היטב.

תשובה: -107.25 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

3. 2H 2 S g + 3O 2g = 2H 2 O g + 2SO 2g.

תשובה: -990.48 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

4. 2NO g + O 3g + H 2 O well \u003d 2HNO 3g.

תשובה: - 260.94 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

5. 3Fe 2 O 3k + CO g \u003d 2Fe 3 O 4k + CO 2g.

תשובה: - 64.51 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

6. 2CH 3 OH w + 3O 2g \u003d 4H 2 Og + 2CO 2g.

תשובה: - 1370.46 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

7. CH 4g + 3CO 2g \u003d 4CO g + 2H 2 O g.

תשובה: 228.13 קילו-ג'יי; תגובה אינה אפשרית.

8. Fe 2 O 3k + 3CO g \u003d 2Fe k + 3CO 2g.

תשובה: -31.3 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

9. C 2 H 4g + 3O 2g \u003d 2CO 2g + 2H 2 O g.

תשובה: -1313.9 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

10. 4NH 3g + 3O 2g = 6H 2 O g + 2N 2g.

תשובה: -1305.69 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

11. 4NO 2g + O 2g + 2H 2 O x = 4HNO 3g.

תשובה: -55.08 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

12. 2HNO 3l + NO g = 3NO 2g + H 2 O l.

תשובה: -7.71 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

13. 2C 2 H 2g + 5O 2g \u003d 4CO 2g + 2H 2 O g.

תשובה: -2452.81 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

14. Fe 3 O 4k + 4H 2g \u003d 3Fe to + 4H 2 O g.

תשובה: 99.7 קילו-ג'יי; תגובה אינה אפשרית.

15. 2Fe 2 O 3k + 3C k \u003d 4Fe k + 3CO 2g.

תשובה: 297.7 קילו-ג'יי; תגובה אינה אפשרית.

16. Fe 3 O 4k + 4CO g \u003d 3Fe k + 4CO 2g.

תשובה: -14.88 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

17. 2H 2 S g + O 2g \u003d 2H 2 O well + 2S c.

תשובה: -407.4 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

18. Fe 2 O 3k + 3H 2g \u003d 2Fe to + 3H 2 O g.

תשובה: 54.47 קילו-ג'יי; תגובה אינה אפשרית.

חשב את השינוי הסטנדרטי באנרגיית גיבס של תגובה כימית בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס מערכי האנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות ואנטרופיות מוחלטות של תרכובות כימיות וקבע באיזה טמפרטורה יתרחש שיווי משקל במערכת.

19. 4HCl g + O 2g ↔ 2Cl 2g + 2H 2 O f.

תשובה: -93.1 קילו-ג'יי; ~552 K.

20. Cl 2g + 2HI g ↔ I 2c + 2HCl g.

תשובה: -194.0 קילו-ג'יי; ~1632 K.

21. SO 2g + 2CO g ↔ 2CO 2g + S c.

תשובה: -214.24 קילו-ג'יי; ~1462 K.

22. CH 4g + 2H 2 Og ↔ CO 2g + 4H 2g.

תשובה: 113.8 קילו-ג'יי; ~959 K.

23. CO g + 3H 2g ↔ CH 4g + H 2 O g.

תשובה: -142.36 קילו-ג'יי; ~ 963 K.

חשב את השינוי באנרגיית גיבס של תגובה כימית בטמפרטורה של 350 מעלות צלזיוס מהאנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות ואנטרופיות מוחלטות של תרכובות כימיות. התעלם מהתלות בטמפרטורה של D f H° ו- S°. הגדר את האפשרות לתגובות ספונטניות:

24. 2РН 3g + 4O 2g \u003d P 2 O 5k + 3H 2 O g.

תשובה: 1910.47 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

25. Cl 2 g + SO 2 g + 2H 2 O w = H 2 SO 4 w + 2HCl g.

תשובה: -80.0 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

26. P 2 O 5k + 5C k \u003d 2P k + 5CO g.

תשובה: 860.0 קילו-ג'יי; תגובה אינה אפשרית.

27. 2CO g + SO 2g \u003d S עד + 2CO 2g.

תשובה: -154.4 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

28. CO 2g + 4H 2g \u003d CH 4g + 2H 2 O g.

תשובה: -57.9 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

29. NO g + O 3 g = O 2 g + NO 2 g.

תשובה: -196.83 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

30. CH 4g + 2O 2g \u003d CO 2g + 2H 2 O g.

תשובה: -798.8 קילו-ג'יי; תגובה אפשרית.

מידע תיאורטי

התהליך הכימי יכול להיחשב כשלב הראשון בעלייה מחפצים כימיים - אלקטרון, פרוטון, אטום - למערכת חיה.

תורת התהליכים הכימיים- זהו תחום המדע שבו יש את החדירה העמוקה ביותר של פיזיקה, כימיה, ביולוגיה. תיאוריה זו מבוססת על תרמודינמיקה כימית וקינטיקה.

יכולתו של חומר לעבור טרנספורמציות כימיות נקבעת לפי תגובתיותם, כלומר. אופי החומרים המגיבים - הרכב, מבנה, אופי הקשר הכימי; גורמי אנרגיה הקובעים את אפשרות התהליך וגורמים קינטיים הקובעים את מהירות מהלכו.

כמעט כל התהליכים הכימיים מלווים בשחרור או ספיגה של אנרגיה, לרוב בצורה של חום ועבודה.

חום -מדד כמותי לתנועה האקראית והכאוטית של חלקיקים היוצרים מערכת נתונה.

עבודה -מדד כמותי של תנועה מסודרת של חלקיקים בשדה כוח מכוון.

החלק בכימיה החוקר את מעברי האנרגיה מצורה אחת לאחרת במהלך תגובות כימיות וקובע את כיוון וגבולות הזרימה הספונטנית שלהן בתנאים נתונים. תרמודינמיקה כימית .

מושא המחקר של התרמודינמיקה הכימית הוא מערכת כימית.

מערכת -זהו הגוף הנבדק או קבוצת גופים המקיימים אינטראקציה זה עם זה ומופרדים נפשית או ממשית מהסביבה על ידי גבולות שמוליכים או לא מוליכים חום.

בהתאם לאופי האינטראקציה של המערכת עם הסביבה, ישנם פתוח, סגור ומבודדמערכות.

מערכות פתוחותיכול להחליף אנרגיה וחומר עם הסביבה. לדוגמה, תמיסה מימית של נתרן כלורי בכלי פתוח. כאשר מים מתאדים מהתמיסה ובמהלך חילופי חום, מסת המערכת והטמפרטורה שלה ישתנו, וכתוצאה מכך, האנרגיה.

מערכות סגורותאל תחליף חומר עם הסביבה. לדוגמה, תמיסה של נתרן כלורי בכלי סגור. אם לתמיסה ולסביבה יש טמפרטורות שונות, התמיסה תתחמם או תתקרר, וכתוצאה מכך האנרגיה שלה תשתנה.

מערכות מבודדותלא יכול להחליף חומר או אנרגיה עם הסביבה. מערכת מבודדת היא אידיאליזציה. אין מערכות כאלה בטבע. אבל, למרות חוסר האפשרות ליישום מעשי, מערכות מבודדות מאפשרות לקבוע את הבדלי האנרגיה התיאורטיים המקסימליים בין המערכת לסביבתה.

מצב המערכת נקבע על ידי סט של מאפיינים ומאופיין על ידי פרמטרים תרמודינמיים : טמפרטורה (), לחץ (), נפח (), צפיפות (), כמות החומר (), עבודה שנעשתה (), חום (). שינוי בפרמטר תרמודינמי אחד לפחות מוביל לשינוי במצב המערכת כולה. אם כל הפרמטרים קבועים בזמן ובמרחב, אז המצב הזה של המערכת נקרא שִׁוּוּי מִשׁקָל .

בתרמודינמיקה, המאפיינים של מערכת נחשבים במצבי שיווי המשקל שלה: ראשוני וסופי, ללא קשר למסלול המעבר של המערכת ממצב אחד לאחר. המעבר של המערכת ממצב אחד לאחר ב , = constשקוראים לו איזוברית-איזותרמית,ב, = const– איזוכורית-איזותרמית.

המשימות החשובות ביותר של התרמודינמיקה הכימית הן להבהיר את האפשרות או חוסר האפשרות של תהליך ספונטני של תגובה כימית מסוימת בתנאים נתונים ובכיוון נתון; קביעת הערך של פרמטרים תרמודינמיים שבהם מושגת התפוקה המקסימלית של התהליך; קביעת המאפיינים של שינוי האנרגיה המתרחש במערכת. מצא את זה עם פונקציות תרמודינמיות ().

פונקציית המדינה מאפיינת אנרגיה פנימית של המערכת – סכום האנרגיה הפוטנציאלית של האינטראקציה של כל חלקיקי הגוף זה עם זה והאנרגיה הקינטית של תנועתם. זה תלוי במצב החומר - סוג, מסה, מצב צבירה. לא ניתן למדוד את הערך המוחלט של האנרגיה הפנימית. כדי ללמוד תהליכים כימיים, חשוב לדעת רק את השינוי באנרגיה הפנימית במהלך המעבר של מערכת ממצב אחד למשנהו.

(27)

איפה האנרגיה הפנימית של המערכת יורדת כאשר - עולה. כל השינויים באנרגיה הפנימית מתרחשים עקב התנגשות כאוטית של מולקולות (מידת האנרגיה המועברת בדרך זו היא חום) ותנועת מסות המורכבות ממספר רב של חלקיקים תחת פעולת כוחות כלשהם (מידת האנרגיה המועברת ב- הדרך הזו היא עבודה). לפיכך, העברת אנרגיה פנימית יכולה להתבצע בחלקה בצורה של חום ובחלקה בצורה של עבודה:

(28)

המשוואה לעיל היא ביטוי מתמטי אני חוק התרמודינמיקה : אם חום מסופק למערכת, אז החום המסופק מושקע על הגדלת האנרגיה הפנימית של המערכת ועל ביצוע עבודה עבורה.

בתהליך איזוחורי-איזותרמי, כל החום המסופק למערכת מושקע בשינוי האנרגיה הפנימית:

(29)

בתהליך איזובארי-איזותרמי, סוג העבודה היחיד שבוצע על ידי המערכת הוא עבודת ההרחבה:

(30)

איפה הלחץ במערכת, זה השינוי בנפח

ואז הביטוי המתמטי של החוק הראשון של התרמודינמיקה מקבל את הצורה: (31)

מציין , אנחנו מקבלים

פונקציית מצב מערכת H - אנטלפיה הוא מאגר האנרגיה הכולל של המערכת, כלומר. הוא תכולת האנרגיה של המערכת. האנטלפיה של המערכת גדולה מהאנרגיה הפנימית בכמות העבודה.

לאפיין את ביטויי האנרגיה במהלך תגובה, המושג אפקט תרמי.

אפקט תרמי- זוהי כמות החום המשתחררת או נספגת במהלך הבלתי הפיך של התגובה, כאשר העבודה היחידה היא עבודת ההתפשטות. במקרה זה, הטמפרטורות של חומרי המוצא ותוצרי התגובה צריכות להיות זהות. אפקט תרמי תגובה אנדותרמית(זורם עם ספיגת חום) יהיה חיובי: , . אפקט תרמי תגובה אקסותרמית(זורם עם שחרור חום) יהיה שלילי: , .

ענף הכימיה המוקדש לחקר ההשפעות התרמיות של תגובות כימיות נקרא תרמוכימיה .

כל תגובה כימית מלווה בשינויים במאגר האנרגיה של החומרים המגיבים. ככל שמשתחררת יותר אנרגיה במהלך היווצרות תרכובת כימית, כך תרכובת זו יציבה יותר, ולהפך, החומר המתקבל כתוצאה מתגובה אנדותרמית אינו יציב.

במשוואות כימיות שבהן מצוין חום התגובה, הם נקראים תרמוכימי.הם מורכבים על בסיס חוקי שימור המסה והאנרגיה.

כדי להשוות את ההשפעות התרמיות של תהליכים שונים, התנאים להתרחשותם מתוקננים. תנאים סטנדרטיים - T 0 \u003d 298 K, p 0 \u003d 101.313 kPa, n - 1 מול של חומר טהור, שינוי אנטלפיה ( ) מתייחס לכמות היחידה של החומר, kJ/mol. כל הפונקציות התרמודינמיות הסטנדרטיות הן ערכי טבלה, התלויים במצב הצבירה של החומר.

החוקים הכמותיים של התרמוכימיה נובעים מחוק ה-I של התרמודינמיקה.

חוק לבואזיה-לפלאס(1780 - 1784) - עבור כל תרכובת כימית, חום הפירוק שווה לחום היווצרותו, אך יש לו סימן הפוך.

חוק ג.י. הס(1840) - ההשפעה התרמית של תגובה כימית תלויה באופי ובמצב הפיזי של החומרים ההתחלתיים והתוצרים הסופיים, אך אינה תלויה באופי ובנתיב התגובה, כלומר. מרצף שלבי הביניים הבודדים.חוק זה הוא הבסיס התיאורטי של התרמוכימיה. מספר השלכות נובעות ממנו:

בחישובים תרמוכימיים מניחים שחום היווצרות (אנטלפיה) של חומרים פשוטים בתנאים סטנדרטיים הוא אפס.

(חומר פשוט) = 0

כמות האנרגיה המשתחררת או נספגת במהלך היווצרות 1 מול של חומר מורכב מחומר פשוט בתנאים סטנדרטיים נקראת אנטלפיה סטנדרטית של היווצרות ( , kJ/mol).

כמות האנרגיה המשתחררת או נספגת על ידי מול 1 של חומר אורגני המתפרק לפחמן דו חמצני ומים בתנאים סטנדרטיים נקראת אנטלפיה סטנדרטית של בעירה ( , kJ/mol).

ההשפעה התרמית של תגובה כימית שווה להפרש בין סכום חום ההיווצרות של תוצרי התגובה לבין סכום חום ההיווצרות של החומרים ההתחלתיים, תוך התחשבות במקדמים הסטוכיומטריים:

היכן ההשפעה התרמית של תגובה כימית בתנאים סטנדרטיים;
- סכום החום הסטנדרטי של היווצרות תוצרי התגובה;
- סכום החום הסטנדרטי של היווצרות חומרי המוצא; , - מקדמים סטוכיומטריים, בהתאמה, של תוצרי התגובה וחומרי המוצא.

חוק הס מאפשר לך לחשב את ההשפעות התרמיות של תגובות שונות. אך הסימן והגודל של האפקט התרמי אינם מאפשרים לשפוט את יכולתם של התהליכים להתנהל באופן ספונטני ואינו מכיל מידע על הכיוון והשלמות של התהליכים.

תהליכים ספונטניים(טבעי או חיובי) - זרימה במערכת ללא הפרעה מהסביבה החיצונית ומלווה בירידה באנרגיה הפנימית של המערכת והעברת אנרגיה לסביבה בצורת חום ועבודה. תהליכים ספונטניים אנדותרמיים אינם סותרים הגדרה זו, שכן הם יכולים להתרחש במערכת לא מבודדת ולייצר עבודה בשל חום הסביבה.

תהליכים שאינם יכולים להתרחש מעצמם (ללא השפעה חיצונית) נקראים לא ספונטני , לא טבעי או שלילי. תהליכים כאלה מבוצעים על ידי העברת אנרגיה מהסביבה החיצונית למערכת בצורה של חום או עבודה.

על פי החוק השני של התרמודינמיקה, תהליכים ספונטניים הולכים לכיוון של הפחתת מלאי האנרגיה הפנימית או האנטלפיה של המערכת. עם זאת, ידועים תהליכים כאלה שמתקדמים באופן ספונטני מבלי לשנות את האנרגיה הפנימית של המערכת. הכוח המניע של תהליכים כאלה הוא האנטרופיה של המערכת.

אנטרופיה(אנרגיה קשורה) ( S) - זהו מדד לחוסר הפיכות של התהליך, מדד למעבר של אנרגיה לצורה ממנה היא לא יכולה באופן עצמאי לאנרגיה אחרת. האנטרופיה מאפיינת את ההפרעה במערכת, ככל שההפרעה גבוהה יותר, כך האנטרופיה גבוהה יותר. זה מתגבר עם הגדלת תנועת החלקיקים. במערכות מבודדות מהסביבה החיצונית, תהליכים מתנהלים באופן ספונטני לכיוון של הגדלת האנטרופיה (). תהליכים שעבורם האנטרופיה יורדת ( ) אינם אפשריים במערכות מבודדות. אם התהליך אפשרי בכיוונים קדימה ואחורה, אזי במערכת מבודדת הוא ימשיך לכיוון של הגדלת האנטרופיה. מהלך של תהליך ספונטני במערכת מבודדת מסתיים במצב של שיווי משקל. לכן, בשיווי משקל אנטרופיה של המערכת מַקסִימוּם .

בולצמן הסיק משוואה לפיה

(34) היכן הוא קבוע בולצמן, W הוא ההסתברות למצב, קובע את מספר המיקרו-מצבים המקבילים למיקרו-מצב נתון.

קשר זה מראה שניתן לראות באנטרופיה מדד להפרעה המולקולרית של מערכת.

על פי החוק השני של התרמודינמיקה עבור תהליך איזותרמי, השינוי באנטרופיה הוא:

; [J/(מול K] (35)

האנטרופיה של חומרים פשוטים אינה שווה לאפס. בניגוד לאנתלפיה, ניתן למדוד את הערך המוחלט של האנטרופיה. "באפס מוחלט, האנטרופיה של גביש אידיאלי היא אפס" - הנחה זו של מ. פלאנק (1911) נקראת III חוק התרמודינמיקה.

השינוי באנטרופיה של תהליך כימי נקבע על ידי משוואת האיזון:

כל מערכת מאופיינת בסדר () ואי-סדר (). היחס שלהם קובע את כיוון התגובה.

כך, במהלך התנועה הספונטנית של המערכת למצב יציב, מופיעות שתי נטיות: ירידה באנטלפיה ועלייה באנטרופיה. ההשפעה המשולבת של שתי המגמות בטמפרטורה ולחץ קבועים משקפת פוטנציאל איזובארי-איזותרמי או אנרגיית גיבס () .

פונקציית מצב מאפיין את הכוח המניע הכללי של התהליך, את מירב העבודה השימושית האפשרית ("אנרגיה חופשית") המבוצעת על ידי המערכת; - חלק מהאנרגיה שלא ניתן להמיר לעבודה שימושית ("אנרגיה קשורה").

תגובות כימיות מתרחשות בכלי פתוח עם שינוי בנפח, ולכן האפשרות (הספונטניות) וכיוון התהליך מאפיינים את הפונקציה שנקבעת על ידי משוואת האיזון בתנאים סטנדרטיים:

; (38)

המהלך הספונטני של התהליך תואם לירידה באנרגיה של גיבס, . ככל שהוא יורד יותר, כך התהליך מתקדם בצורה בלתי הפיכה לקראת היווצרות תוצרי התגובה הסופיים. עלייה בפוטנציאל האיזוברי הוא סימן לחוסר ביצוע של התהליך בתנאים נתונים. מַשְׁמָעוּת מאפיין את מצב שיווי המשקל, כלומר. מצב בו המערכת אינה מייצרת עבודה מועילה.

ניתוח של הערכים ובמשוואת גיבס הראה שהאפשרות של תהליך הפיך נובעת מאותם סימנים ו. בטמפרטורה מסוימת, הערכים ו להיות שווה. לכן, מתוך משוואת גיבס, ניתן לקבוע את טמפרטורת "שיווי המשקל" או את הטמפרטורה של תחילת התהליך ():

; = 0 ; ; (39)

לפיכך, תגובות מתרחשות באופן ספונטני שבהן השינוי באנרגיה החופשית הוא שלילי. תגובות שבהן , זרימה רק בתנאי שהעבודה נעשית על המערכת על ידי כוחות חיצוניים או אנרגיה מועברת למערכת מבחוץ. התנאים לזרימה הספונטנית של התהליך מוצגים באיור. 3.

תגובות כימיות, תגובות כימיות,

זורם ספונטני זורם לא ספונטני

תגובות אקסותרמיות, תגובות אקסותרמיות,

מלווה מלווה

עלייה באנטרופיה ירידה באנטרופיה

בְּ- כלטמפרטורות ב גָבוֹהַטמפרטורות

תגובות אנדותרמיות

נלווה

עלייה באנטרופיה

בְּ- נָמוּךטמפרטורות

אורז. 3. תנאים לזרימה ספונטנית של התהליך.

3.2. שליטה בשאלות ומשימות

1. מה נקרא מערכת? מהם הפרמטרים של המערכת?

2. תאר את האנרגיה הפנימית של המערכת, מושג תהליכים איזוחוריים ואיזובריים.

3. מה נקרא אנטלפיה?

4. תאר את האנטלפיה של היווצרות תרכובות, אנטלפיות סטנדרטיות של בעירה והיווצרות חומרים.

5. חוק הס והשלכותיו, יישומו בחישובים תרמוכימיים.

6. קביעת חום (אנטלפיות) של נטרול, פירוק, הידרציה.

7. אנטרופיה. משוואת בולצמן. כיצד משתנה האנטרופיה עם הטמפרטורה?

8. אנרגיית גיבס. קריטריונים לזרימה הספונטנית של התהליך.

9. באמצעות נתוני ההתייחסות בנספח 3, חשב את השינוי באנטלפיה הסטנדרטית של התגובה ():

10. באמצעות נתוני הייחוס בנספח 3, חשב את השינוי באנטרופיה הסטנדרטית של התגובה ( ):

11. חשב תגובות ב-846 0 С, אם = 230 קילו-ג'יי, = 593 J/K.

דוגמאות לפתרון בעיות

דוגמה 1תגובת הבעירה של אלכוהול אתילי מתבטאת במשוואה התרמוכימית C 2 H 5 OH (L) + 3O 2 (G) \u003d 2CO 2 (G) + 3H 2 O (L). חשב את ההשפעה התרמית של התגובה אם ידוע שחום האידוי המולארי של C 2 H 5 OH (L) הוא +42.36 קילו-ג'יי, וחום ההיווצרות של C 2 H 5 OH (G) = -235.31 קילו-ג'יי, CO 2 (G) \u003d -393.51 kJ, H 2 O (L) \u003d -285.84 kJ.

פִּתָרוֹן.כדי לקבוע את ΔΗ של התגובה, יש צורך לדעת את חום היווצרות C 2 H 5 OH (L). אנו מוצאים את האחרון מהנתונים:

C 2 H 5 OH (F) \u003d C 2 H 5 OH (G); ΔΗ = +42.36 קילו-ג'יי

42.36 \u003d -235.31 - ΔΗ (C 2 H 5 OH (W))

ΔΗ (C 2 H 5 OH (W)) \u003d -235.31-42.36 \u003d -277.67 kJ

אנו מחשבים את ΔΗ של התגובה, תוך יישום ההשלכות מחוק הס:

ΔΗ H.R. \u003d 2 (-393.51) + 3 (-285.84) + 277.67 \u003d -1366.87 קילו-ג'יי.

ההשפעה התרמית של התגובה היא 1366.87 קילו-ג'יי.

א) Fe 2 O 3 (K) + 3H 2 (G) \u003d 2Fe (K) + 3H 2 O (G)

ב) Fe 2 O 3 (K) + 3CO (G) \u003d 2Fe (K) + 3CO 2 (G)

איזה תהליך דורש יותר אנרגיה?

פִּתָרוֹן.כדי לחשב ΔΗ XP, אנו משתמשים בנוסחה של התוצאה מחוק הס והאנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות של כל חומר [נספח 3]:

א) ΔΗ XP \u003d 2ΔΗ (Fe) + 3ΔΗ (H 2 O) - (ΔΗ (Fe 2 O 3) + 3ΔΗ (H 2)) \u003d 2 (0) + 3 (-241.8) - ((-822) .2) + 3(0)) = -725.4 + 822.2 = 96.8 קילו-ג'יי.

ב) ΔΗ XP \u003d 2ΔΗ (Fe) + 3ΔΗ (CO 2) - (ΔΗ (Fe 2 O 3) + 3ΔΗ (CO)) \u003d 2 (0) + 3 (-393.5) - ((-822.2 ) + 3(-110.5)) = -1180.5 + 822.2 + 331.5 = -26.5 קילו-ג'יי.

לפי החישובים, תהליך א) - הפחתת תחמוצת ברזל (III) עם מימן, דורשת יותר אנרגיה מאשר תהליך ב). בתהליך ב), התגובה היא אפילו אקסותרמית (אנרגיה משתחררת בצורת חום).

דוגמה 3גז מים הוא תערובת של נפחים שווים של מימן ופחמן חד חמצני (II). מצא את כמות החום המשתחררת במהלך הבעירה של 112 ליטר גז מים, (לא).

פִּתָרוֹן.הבה נרכיב את המשוואה התרמוכימית של התהליך:

H 2 (G) + CO (G) + O 2 (G) \u003d H 2 O (G) + CO 2 (G) ΔΗ XP \u003d - Q.

הבה נחשב ΔΗ XP כאשר 2 מול גז מים נשרף (1 מול של H 2 ו-1 מול של CO), כלומר. 22.4 ליטר / מול 2 מול \u003d 44.8 ליטר. החישוב מתבצע על פי נוסחת התוצאה של חוק הס והאנטלפיות הסטנדרטיות של היווצרות של כל חומר [הוסף. 3]:

ΔΗ XP \u003d ΔΗ (H 2 O) + ΔΗ (CO 2) - (ΔΗ (H 2) + ΔΗ (CO) + ΔΗ (O 2)) \u003d -241.8 - 393.5 - (0 - 110.5 + ) - 635.3 + 110.5 = - 524.8 קילו-ג'יי

אנחנו עושים פרופורציה:

44.8 ליטר גז מים נשרף - משתחרר 524.8 קילו ג'יי חום

112 l - X kJ

X \u003d 112 524.8 / 44.8 \u003d 1312 kJ

בשריפת 112 ליטר גז מים משתחרר חום של 1312 קילו-ג'יי.

דוגמה 4תן מאפיין תרמודינמי של התהליך Ga + HCl) ↔ GaCl 3 (t) + H 2 (g) לפי התוכנית:

1. רשמו את המשוואה הסטוכיומטרית.

2. רשום את הפונקציות התרמודינמיות של החומרים המעורבים.

3. חשב את השינוי באנתלפיה הסטנדרטית של תגובה כימית ושרטט את דיאגרמת האנתלפיה.

4. קבע אם התגובה היא אקסותרמית או אנדותרמית; הטמפרטורה במערכת עולה או יורדת כתוצאה מתגובה זו.

5. חשב את השינוי באנטרופיה הסטנדרטית של התגובה, הסביר את השינוי באנטרופיה במהלך התגובה.

6. חשב את השינוי הסטנדרטי באנרגיה של גיבס ממשוואת האיזון ומשוואת גיבס. תן ניתוח של הנתונים שהתקבלו.

7. התאימו את סימני הכמויות . ו הסיק שהתגובה היא הפיכה.

8. לתגובה הפיכה, חשב את טמפרטורת שיווי המשקל לפי משוואת גיבס, בהנחה שהטמפרטורה המקסימלית המותרת היא 3000 K. עשה מסקנה: Tp - ניתן למימוש או לא ניתן למימוש.

9. חשב את הערך בשלוש טמפרטורות (500, 1000 ו-1500 K). תלות גרפית עלילה ..

10. הסיקו מסקנה לגבי הספונטניות של התגובה הכימית. קבע את התנאים שבהם התגובה אפשרית

פִּתָרוֹן.

1 רשום את המשוואה הסטוכיומטרית.

2. אנו כותבים את הפונקציות התרמודינמיות הסטנדרטיות ליצירת מרכיבי תגובה (טבלה 21) (פרמטרים תרמודינמיים של חומרים מ [נספח 3]).