Примеры решения типовых задач. Задача 1 Расчет теплового эффекта реакции.

Задача 1 Расчет теплового эффекта реакции.

Определите количество теплоты, выделяемой или поглощаемой при сгорании 4,48 л ацетилена

Решение: тепловой эффект химической реакции (энтальпию реакции) рассчитывают, используя следствие из закона Гесса:

	DH^0реакции = Si DH^0обр. (продуктов) - Si DH^0обр. (исх. веществ)

Тепловой эффект реакции (или энтальпия реакции) равен сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов реакции

а) запишем уравнение реакции полного сгорания ацетилена. Расставим коэффициенты и укажем агрегатное состояние всех участников реакции.

б) выпишем из справочной таблицы под уравнением реакции значения стандартных энтальпий образования, DH⁰_обр., всех веществ, входящих в уравнение реакции. При этом обратим внимание, что: DH⁰_обр простых веществ равна нулю; DH⁰_обр одного и того же вещества различаются в зависимости от агрегатного состояния.

2С₂Н_{2 (г)} + 5О_{2 (г)} ® 4СО_{2 (г)} + 2Н₂О _(г)

DH⁰_обр., кДж/моль: 227 0 -394 -242

в) запишем следствие из закона Гесса для данной реакции. Подставим в уравнение табличные значения DH⁰_обр. с учетом стехиометрических коэффициентов и рассчитаем тепловой эффект реакции горения ацетилена:

DH⁰_{реакции} = [2DH⁰_обр. (H₂O) + 4DH⁰_обр.(CO₂)] – [2DH⁰_обр. (C₂H₂) + DH⁰_обр.(O₂)] =

= 2 ´ (-242) + 4 ´ (-394) – 2 ´ 227 – 5 ´ 0 = - 2514 кДж

Ответ 1: DH<0, реакция экзотермическая. Знак минус свидетельствует о выделении тепла в реакции.

Определим количество тепла, выделяющегося при сгорании 4,48 л. ацетилена.

1 моль газа – 22,4 л

х - 4,48 л х = 0,2 моль

2 моль – 2514 кДж

0,2 моль – х х = 251,4 кДж

Ответ 2: При сгорании 4,48 л ацетилена выделится 251,4 кДж тепла.

DH⁰_{реакции} = Si DH⁰_сгор - Si DH⁰_{cгор исх. веществ продуктов}

Для органических веществ проще определить стандартную теплоту сгорания, чем DH⁰_обр., тогда для расчета теплового эффекта органических реакций можно использовать 3-е следствие из закона Гесса: (если известны теплоты сгорания веществ, участвующих в реакции)

Задача 2. Определение возможности самопроизвольного протекания процесса.

Определите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции образование аммиака из простых веществ при 100⁰С?

Решение: реакция может протекать самопроизвольно, т.е. без подвода энергии из вне, если энергия Гиббса в ходе реакции уменьшается. Это критерий возможности самопроизвольного протекания реакции в закрытых и открытых системах:

	DG < 0

Изменение энергии Гиббса реакции, протекающей в стандартных условиях, находят, используя следствие из закона Гесса:

	DG^0реакции = Si DG^0(продуктов) - Si DG^0(исх. веществ)

Изменение энергии Гиббса реакции, протекающей в нестандартных условиях (не при 298 К), находят, используя объединенное уравнение I и II начал термодинамики:

DG_{реакции} = DH⁰ – Т× DS⁰

Поскольку по условию задачи реакцию синтеза аммиака проводят при 100⁰С, т.е. в нестандартных условиях, поэтому изменение энергии Гиббса реакции следует рассчитывать по объединенному уравнению;

а) записываем уравнение химической реакции, расставляя коэффициенты и указывая агрегатные состояния всех участников реакции;

б) выписываем из справочной таблицы под уравнением реакции значения стандартной энтальпии образования, DH⁰_обр., и абсолютной энтропии, S⁰₂₉₈ , для каждого участвующего в реакции вещества. Следует отметить, что абсолютные энтропии простых веществ не равны нулю.

N_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)} ® 2NH_{3 (г)}

DH⁰_обр., кДж/моль: 0 0 -46

S⁰₂₉₈, Дж/(моль^.К) 192 131 193

в) рассчитаем тепловой эффект реакции, используя следствие из закона Гесса:

DH⁰_{реакции}= 2DH⁰_обр(NH₃) – [DH⁰_обр(N₂) + 3DH⁰_обр(H₂) = 2 ´ (-46) – 0 – 3 ´ 0 = -92 кДж

DH⁰_{реакции} < 0, реакция экзотермическая

г) рассчитаем изменение энтропии реакции, используя следствие из закона Гесса:

DS⁰_{реакции} = Si S⁰₂₉₈(продуктов) - Si S⁰₂₉₈ (исх. веществ)

DS⁰_{реакции} = 2S⁰₂₉₈(NH₃) – [S⁰₂₉₈(N₂) + 3S⁰₂₉₈(H₂)] = 2 ´ 193 – (192 + 3 ´ 131) = -199 Дж/К

DS⁰ < 0 – энтропия реакции убывает.

Изменение энтропии является критерием самопроизвольного протекания реакции только для изолированных систем (не обменивающихся с окружающей средой ни энергией, ни веществом). При самопроизвольном протекании реакции в изолированной системе энтропия должна возрастать, т.е. DS > 0.

д) для оценки возможности протекания реакции в реальных закрытых и открытых системах нужно рассчитать изменение энергии Гиббса, используя объединенное уравнение I и II начал термодинамики. Обратим внимание, что:

- температура должна быть выражена в абсолютной шкале температур, т.е. в Кельвинах: Т = t⁰ + 273 = 100 + 273 = 373 K

- энтальпия и энтропия реакции должны быть выражены в одних единицах – в килоджоулях: DS⁰_{реакции}= -0,199 кДж/К

DG = DH⁰ – T·DS⁰ = -92 – 373 ´ (-0,199) = -17,8 кДж

Ответ: DG < 0, следовательно данная реакция при 100⁰С может протекать самопроизвольно. Решающим оказался энтальпийный фактор, т.к. DН < 0

Задача 3: Расчеты калорийности продуктов питания.

Рассчитайте, какую энергию получает человек, съедая 150 г вареной колбасы, если ее состав: белки 12,3%, жиры 25,3%.

Решение: основная часть энергии питательных веществ выделяется в организме при их окислении.

Энергия, выделяемая при полном окислении (сгорании) питательных веществ, называется их калорийностью.

Расчет калорийности продуктов питания основан на I законе термодинамики (законе Гесса), поскольку питательные вещества в организме окисляются до тех же веществ, что и вне организма, например, в калориметре.

Калорийность пищи из-за ее сложного состава принято указывать в расчете на 1 г, а не на 1 моль.

Химический состав продуктов питания характеризуют содержанием белков, жиров и углеводов – основных компонентов пищи. Их калорийность:

	белки 17 кДж/г = 4 ккал/г жиры 38 9 1калория = 4,18 Дж углеводы 17 4

а) зная содержание в продукте белков, жиров и углеводов, удобно сначала определить, сколько энергии выделяется при усвоении 100 г продукта.

Так, состав колбасы: 12,3% белков и 25,3% жира, означает, что в 100 г ее содержится 12,3 г белков и 25,3 г жира. Найдем энергию, которая выделится при усвоении:

DH_сгор(белков) = 17 кДж/г ´ 12,3 г = 209,1 кДж

DH_сгор(жиров) = 38 кДж/г ´ 25,3 г = 961,4 кДж

DH_сгор(100 г колбасы) = 209,1 + 961,4 = 1170,5 кДж

б) рассчитаем, сколько энергии дают организму 150 г колбасы

100 г – 1170,5 кДж

150 г – х х = 1755 кДж = 419 ккал

Ответ: Съедая 150 г вареной колбасы, человек получает энергии 1755 кДж.

Контрольные вопросы для самопроверки.

1. Что изучает наука – химическая термодинамика?

2. Что называют «термодинамической системой»?

3. Как называют величины, которые характеризуют состояние системы? Какие из них называют функциями состояния?

4. Какие условия состояния системы принято называть стандартными? Какими символами их обозначают?

5. Что называют внутренней энергией системы? Ее единицы измерения? Можно ли её измерить или рассчитать?

6. Какой всемирный закон природы отражает I начало термодинамики? Обмен какими видами энергии между системой и окружающей средой описывает I начало термодинамики?

7. Изменяется ли внутренняя энергия а) движущегося автомобиля? Б) автомобиля, стоящего на платформе движущегося поезда?

8. Приведите формулировку и математическое выражение I начала термодинамики для а) изолированной системы; б) неизолированной системы.

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

10. На что затрачивается теплота, получаемая системой в условиях постоянного давления (при изобарном процессе)?

11. При каком соотношении энтальпий системы в исходном и конечном состоянии (Н_исх. и Н_кон.) их разность имеет: а) положительное; б) отрицательное значение?

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

13. Что называют тепловым эффектом реакции? При каких условиях он называется изменением энтальпии реакции и обозначается DН?

14. Что называется стандартной энтальпией образования сложного вещества, DН⁰₂₉₈? Единицы ее измерения.

15. Какой закон является основным законом термохимии? Дайте его формулировку и математическое выражение.

16. Как рассчитать стандартную энтальпию реакции (тепловой эффект), исходя из стандартных энтальпий образования? Для каких процессов можно использовать эти расчёты?

17. Как может быть измерено изменение внутренней энергии и энтальпии системы экспериментально?

18. Дайте формулировку I начала термодинамики в применении к живым системам.

19. Что называют калорийностью продуктов питания?

20. Чему равна энергетическая ценность белков, жиров, углеводов (в ккал и кДж)?

21. Каким должно быть соотношение Б:Ж:У при сбалансированном питании?

22. Какие процессы называются самопроизвольными?

23. В каких случаях изменение энтропии может быть критерием самопроизвольного протекания процесса? Как при этом изменяется энтропия? Сформулируйте II начало термодинамики для этого случая.

24. Какой физический смысл имеет энтропия?

25. Как изменяется энтропия с изменением температуры?

26. Если в системе протекает реакция с образованием большего числа газовых молекул, чем у исходных веществ, как изменяется энтропия системы? Если два газовых баллона, имеющих энтропии соответственно S₁ и S₂, соединить трубкой, какова будет энтропия новой системы?

27. Чему равна энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле? Почему табличные значения S⁰₂₉₈ называют абсолютной энтропией вещества?

28. Почему при плавлении вещества температура остается постоянной, хотя в это время теплота к системе подводится?

29. Какой параметр, одновременно учитывающий и энтропию и энтальпию системы, является критерием самопроизвольного протекания процессов в неизолированных системах?

30. Напишите объединенное уравнение I и II начала термодинамики. Какая из функций является а) мерой связанной энергии? б) энергией, за счёт которой можно совершить полезную работу?

31. Какую тенденцию системы выражает: энтальпийный фактор; энтропийный фактор?

32. Что такое энергия Гиббса? Ее единицы измерения? Почему ее называют свободной энергией?

33. Сформулируйте условия самопроизвольного протекания химической реакции?

34. Как рассчитывается изменение энергии Гиббса для химической реакции, DG⁰?

35. Будет ли реакция протекать самопроизвольно, если:

а) DН_{реакции} < 0 и DS_{реакции} > 0

б) DH_{реакции} > 0 и DS_{реакции} < 0

36. Какое значение имеет энергия Гиббса при достижении системой состояния равновесия?

37. Приведите известные Вам формулировки II начала термодинамики.

38. Почему в организме могут протекать реакции, которые в данных условиях не являются самопроизвольными и имеют DG⁰ > 0?

Тема: Кинетика химических реакций

Содержание темы. Химическая кинетика как основа для изучения скоростей и механизмов химических реакций. Классификация реакций. Скорость химических реакций. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Закон действующих масс для простых и сложных реакций. Константа скорости. Молекулярность и порядок реакции. Влияние температуры на скорость реакции. Правило Вант-Гоффа. Энергия активации. Уравнение Аррениуса. Основные положения теории столкновений и активированного комплекса. Влияние катализатора на скорость реакции. Гомогенный и гетерогенный катализ. Механизм каталитического действия. Ферментативный катализ, особенности.

Разделы, выносимые на самостоятельную подготовку: 1. Особенности ферментативного катализа. Уравнение Михаэлиса-Ментен. СОХЖ с. 116-120, БОХ с. 416-420, ЛББХ с. 73-79.

2.Определение порядка реакции и расчет константы скорости по известным экспериментальным данным.СОХЖ с. 102-103, БОХ с.398-402, типовой задачи 5.

Письменное задание для самостоятельной проработки. Для некоторой реакции А + В ® С получены следующие данные при одинаковой температуре:

СА, моль/л	СВ моль/л	Начальная скорость, моль/л с
Варианты	Варианты	Варианты
0,2	0,5	0,10	0,1		0,05	2·10^-3		2·10^-2
0,4	0,5	0,20	0,1		0,05	8·10^-3		8·10^-2
0,4	1,0	0,20	0,2		0,10	8·10^-3		8·10^-2
	2,0

а) Постройте график зависимости скорости реакции от концентрации вещества А при неизменной концентрации вещества В и по виду графика определите порядок реакции по веществу А. Затем – то же самое по веществу В. Приведите уравнение скорости реакции. б) Рассчитайте константу скорости. в) Рассчитайте начальную скорость реакции при концентрациях, моль/л: С_А = 0,6; С_В = 0,3.

Домашнее задание для подготовки к занятию: СОХЖ с. 96-109, БОХ с. 391-421. Разберите примеры решения типовых задач 1-4, ГЗХ 1,2,3 гл. V. Выполните письменно:

1. Чему равна скорость химической реакции, если концентрация одного из реагирующих веществ в начальный момент была равна 1,2 моль/л, а через 50 мин. стала равной 0,3 моль/л.

2. Напишите выражение закона действующих масс для реакций:

2H_{2 (г)} + О_{2 (г)} ® 2Н₂О _пар; Zn _(тв) + Сl_{2 (г)} ® ZnCl_{2 (тв)}; О_{2 (г)} + 2СО _(г) ® 2СО_{2 (г)}

3. Рассчитайте, как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе:

4 HCl + O₂ ® 2Cl₂ + 2H₂O, если в два раза увеличить а) концентрацию хлороводорода; б) концентрацию кислорода?

4. Во сколько раз следует увеличить концентрацию СО в системе:

2СО _(г) ® СО_{2 (г)} + С _(тв), чтобы скорость реакции увеличилась в 4 раза?

5. Константа скорости гидролиза уксусноэтилового эфира равна 0,1 л/моль·мин. Исходные концентрации: эфира – 0,01 моль/л, щелочи – 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции.

6. Температурный коэффициент реакции равен 2,5. Как изменится ее скорость при изменении температуры: а) от 60 до 100⁰С; б) от 50 до 30⁰С.

7. Напишите кинетическое уравнение реакции:

Fe(NO₃)₃ + 3NaSCN ® Fe(SCN)₃ + 3NaNO₃, если известно, что она имеет первый порядок по концентрациям обоих реагентов.

8. Для химической реакции: 2NO_{2 (г)} + F_{2 (г)} ® 2NO₂F _(г) получено следующее кинетическое уравнение: V = k · · . Коковы частные и общий порядок реакции? Что можно сказать о механизме реакции (простая, сложная)? Изобразите зависимость скорости реакции от концентрации каждого реагента графически.

Разберите ситуационные задачи № 15,44.

Факультативно. Решите задачи: ГЗХ 1981: № 322, 323, 328, 329, 343 или ГЗХ 1985: № 327, 328, 333, 334, 348.

Дата добавления: 2015-09-06