Тема 5: Термодинамика и кинетика химических превращений
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)
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 t1 и t2; - температурный коэффициент реакции. Большинство химических реакций являются обратимыми: аА + вВ сС + dD отношение констант скоростей – величина постоянная, называемая константой равновесия Кр = 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 Fe2O3 водородом протекает по уравнению: Fe2O3(K) + 3H2(Г) = 2Fe(K) + 3H2O(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) + Cl2(Г) = 2NOCl(Г) б) CaCO3(K) = CaO(K) + CO2(Г) Решение: Согласно закону действия масс скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам: а) V = k[NO]2 .[Cl2] 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: PCl5(Г) = PCl3(Г) + Cl2(Г); Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложение PCl5? 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 PCl5 эндотермическая , то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру. б) Так как в данной системе разложение PCl5 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 PCl5, так и уменьшением концентрации PCl3 или Cl2. Согласно закону действия масс, скорости прямой (V1) и обратной (V2) реакций выражаются уравнениями: V1 = k[PCl5] V2 = k[PCl3][Cl2] 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. CH4(г) + CO2(г) = 2СO(г) + 2H2(г) 82. FeO(K) + CO(г) =Fe(K) + CO2(г) 83. C2H4(г) + O2(г) = CO2(г) + H2O(г) 84. N2(г) + 3H2(г) =2NH3(г) 85. H2O(г) +CO(г) = CO2(г) +H2(г) 86. 4HCl(г) + O2(г) = 2H2O(г) + 2Cl2(г) 87. Fe2O3(К) +3H2(г) = 2Fe(K) + 3H2O(г) 88. 2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г) 89. PCl5(г) = PCl3(г) + Cl2(г) 90. CO2(г) + C(графит) = 2СO(г) 91. 2H2S(г) + 3O2(г) = 2SO2(г) + H2O(г) 92. Fe2O3(K) +CO(г) =2FeO(K) + CO2(г) 93. 4NH3(г) + 5O2(г) = 4NO(г) + 6H2O(г) 94. NH4Cl(K) = NH3(г) + HCl(г) 95. CH4(г) + 2O2(г) = CO2(г) + 2H2O(г) 96. CS2(г) + 3O2(г) = CO2(г) + 2SO2(г) 97. 4HCl(г) + O2(г) = 2Cl2(г) + 2H2O(г) 98. 2NO(г) + O2(г) = N2O4(г) 99. NH3(г) + HCl(г) = NH4Cl(K) 100. CS2(г) + 3O2(г) = 2Cl2(г) + 2SO2(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), т1 – масса раствора (г). Молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1л раствора: (Моль/л), где М- молярная масса вещества (г/моль), V- объем раствора (л). Моляльная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000г растворителя: (Моль/1000г р-ля), где т2 – масса растворителя (г). Молярная концентрация эквивалента (или нормальность) показывает число эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора: (Моль/л),
Пример 1. В 1кг воды растворено 212 г Na2CO3; плотность раствора равна 1,188 г/мл. Найти: а) массовую долю Na2CO3; б) молярную концентрацию; в) моляльную концентрацию; г) молярную концентрацию эквивалента.
Решение. а) Массовая доля растворенного вещества есть отношение массы растворенного вещества к массе раствора. ; .
б) Молярная концентрация СМ – это отношение количества растворенного вещества п к объему раствора V(р-ра) Количество вещества Na2CO3 определяют по формуле:
Объем раствора определяют через плотность Отсюда молярная концентрация раствора: . в) Моляльная концентрация есть отношение количества растворенного вещества п к массе растворителя т:
Контрольные задания: 101-120. Найти массовую долю, молярную концентрацию, моляльную концентрацию для следующих растворов:
Популярное: Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1463)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |