Материал: Закономерности протекания химических реакций. Электрохимические процессы. метод. указания к выполнению лаб. и контр. работ по химии для студентов. Артамонова О.В., Шаталова В.В

Вопросы для самостоятельной подготовки к контрольной работе

1. Сформулируйте основные понятия и определения химической термодинамики: система (гомогенная, гетерогенная, открытая, закрытая, изолированная), параметры состояния.

2. Что входит в понятие внутренняя энергии – ΔU вещества (или системы); от каких параметров она зависит?

3. Сформулируйте закон сохранения энергии и примените его для расчета изменения внутренней энергии в ходе процессов. Усвоить термодинамическую систему знаков.

4. Каким параметром обозначается тепловой эффект процессов, протекающих при постоянном давлении, понятие об энтальпии (ΔH)? Какое уравнение связывает энтальпию с внутренней энергией системы.

5. Сформулируйте закон Гесса и следствия из него по энтальпиям образования и сгорания химических соединений.

6. В чем заключается физический смысл энтропии – S? От каких параметров она зависит?

7. По изменению какой термодинамической функции можно судить о направленности химических процессов? Какая формула используется для расчета изменения изобарно-изотермического потенциала?

8. Как связана энергия Гиббса с константой равновесия и как по ее величине можно судить о выходе продуктов реакции?

Задачи для самостоятельного решения

1. Определите изменение внутренней энергии при испарении 2 моль толуола при 30 ⁰С, приняв, что пары толуола подчиняются законам идеального газа. Теплота испарения толуола 31997,6 Дж/моль. Ответ: 88,41 кДж.

2. Газ, расширяясь при постоянном давлении 1,0133 ·10⁵ Па от 25·10^-3 м³ до 75·10^-3 м³, поглощает 12570 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии системы. Ответ: 7,504 кДж.

3. Рассчитайте тепловой эффект реакции, протекающей в изобарно-изотермических условиях по уравнению

СаСО₃+SiO₂→CaSiO₃+CO_2(Г), ΔH⁰_реак..

Условия стандартные. Укажите к какому типу относится данная реакция - эндо- или экзотермическому.

4. Определите стандартную энтальпию образования доломита (СаСО₃·MgCO₃), если тепловой эффект реакции его разложения, протекающей по уравнению

СаСО₃·MgCO₃→СаО+MgO+2CO_2(Г) равен 303 кДж.

6. В зависимости от температуры реакция

СаО+Н₂О_(Ж)→Са(ОН)₂

может протекать в прямом и обратном направлении. Решите вопрос, рассчитав ΔG⁰_реак., о возможности гашения извести при стандартных условиях.

7. При получении кальцинированной соды идет реакция

2NaHCO₃↔Na₂CO₃+CO_2(Г)+Н₂О_(Г).

Определите возможность протекания данного процесса в стандартных изобарно-изотермических условиях и температуру, при которой наступит состояние термодинамического равновесия.

Литература: [1, гл. 5, §§ 5.3-5.4]; [2, работы 6, 8].

Тема 4. Химическая кинетика и равновесие

Химическая кинетика изучает скорость химических реакций, механизм их протекания. Скорость реакции () зависит от концентрации реагирующих веществ и эта зависимость выражается законом действующих масс, математическое выражение которого для реакции аА + вВ ↔ сАВ имеет вид

 = k  С^а_А  С^в_В, (4.1)

где k – константа скорости;

С_А и С_В – концентрации реагирующих веществ;

а, в – стехиометрические коэффициенты.

Выражение (4.1) называют кинетическим уравнением реакции.

При столкновении частиц, не каждое их столкновение приводит к взаимодействию, взаимодействуют только те частицы, которые в момент столкновения обладают такой энергией, которая достаточна для разрыва связей в молекулах и образования активных частиц, способных к взаимодействию. Величину такой энергии называют энергией активации системы.

Согласно правилу Вант-Гоффа, зависимость скорости реакции от температуры выражается уравнением

, (4.2)

где, γ- температурный коэффициент скорости реакции, принимающий значение от 2-х до 4-х.

Химические реакции делятся на необратимые и обратимые. Если в ходе обратимого процесса скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми, то в системе наступает состояние химического равновесия. При постоянстве параметров (температуры, давления, концентрации веществ) система может находиться в состоянии равновесия неопределенно долго. Изменение хотя бы одного из этих параметров приводит к тому, что состояние равновесия нарушится и установится новое состояние равновесия. Направление смещения равновесия определяется принципом Ле-Шателье .

Типовые задачи и алгоритмы их решения

Задача 1. Как изменится скорость реакции образования оксида серы (VI):

2SO_2(Г)+O_2(Г)→SO_3(Г):

а) при увеличении концентрации SO₂ в 3 раза;

б) при увеличении внешнего давления в 2 раза;

в) каков физический смысл константы скорости и от каких факторов она зависит?

Решение. Записываем кинетическое уравнение реакции (закон действия масс) согласно уравнению (4.1):

:

а) после увеличения концентрации SO₂ в 3 раза

.

Таким образом, при увеличении концентрации SO₂ в 3 раза скорость прямой реакции возрастает в 9 раз;

б) при увеличении внешнего давления в 2 раза объем системы уменьшится в 2 раза, а концентрация каждого из реагирующих веществ на единицу объема увеличится в 2 раза. Скорость реакции станет равной

.

Скорость возросла в 8 раз;

в) физический смысл константы скорости реакции – это скорость реакции при концентрациях реагирующих веществ равных 1 моль. Зависит «k» от природы веществ и температуры.

Задача 2. Процесс образования гидрокарбоната магния идет по уравнению

MgCO_3(ТВ)+Н₂О_(Ж)+СО_2(Г)↔Mg(HCO₃)_2(Ж).

Как изменится скорость реакции при уменьшении внешнего давления в 3 раза? Изменится ли скорость? Изменится ли скорость этой реакции при увеличении массы карбоната магния?

Решение. В случае гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или растворе. Концентрация веществ в твердой фазе на единице поверхности является постоянной величиной и входит в константу скорости, поэтому кинетическое уравнение для реакции образования Mg(HCO₃)₂ будет иметь вид

.

После уменьшения давления в 3 раза концентрация реагирующих веществ уменьшится в 3 раза:

= .

Таким образом, при уменьшении давления в 3 раза скорость реакции уменьшается в 9 раз.

Так как концентрация вещества на единице поверхности твердой фазы является постоянной величиной, то увеличение массы MgCO₃ не изменит скорость данной реакции.

Задача 3. Реакция при температуре 20 ⁰С протекает за 45 с. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Какое время потребуется для завершения этой реакции при 40 ⁰С?

Решение. Согласно уравнению Вант-Гоффа (4.2)

Скорость реакции возрастает в 9 раз, следовательно, время протекания реакции уменьшается во столько же раз и при 40 ⁰С реакция закончится за 5 с. (45:9 = 5).

Задача 4. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы

N_2(Г) + 3 Н_2(Г) ↔ 2NH_3(Г).

От каких факторов зависит константа равновесия? Как следует изменить концентрацию всех веществ, чтобы равновесие сместилось в сторону прямой реакции?

Решение. Состояние равновесия системы характеризуется константой равновесия, которая показывает отношение произведения концентраций конечных веществ к произведению концентраций начальных веществ, причем концентрации взяты в степенях равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции

(4.3)

Константа равновесия зависит от природы реагентов и температуры.

Чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции, надо увеличить концентрацию начальных веществ или уменьшить концентрацию конечных веществ, т.е. для смещения равновесия данной реакции вправо необходимо увеличить концентрацию азота и водорода или уменьшить концентрацию аммиака.

Задача 5. В системе

СаСО_3(Т) ↔ СаО_(Т) + СО_2(Г), ΔН>0

установилось состояние равновесия. В сторону какой реакции – прямой или обратной – оно сместится при удалении СО₂ и при увеличении температуры (для решения пользуйтесь табл. 4.1)?

Таблица 4.1

Смещение химического равновесия (принцип Ле-Шателье)

Решение. Согласно принципу Ле-Шателье (см. табл. 4.1) при увеличении внешней температуры равновесие смещается в сторону эндотермического процесса. Так как прямая реакция эндотермическая (ΔH>0), равновесие в системе сместится вправо.

При удалении из системы СО₂, т.е. при уменьшении концентрации конечного вещества, равновесие в системе сместится в сторону прямой реакции – вправо.

Задача 6. В системе

Са(ОН)_2(р-р)+SO_3(Г)↔СаSO_4(Т)+Н₂О_(Ж), ΔН<0

установилось состояние равновесия. Как следует изменить условия (температуру, давление), чтобы увеличить выход продуктов реакции?

Решение. 1. Данный процесс в прямом направлении идет с выделением теплоты (ΔH<0 – экзотермический), поэтому согласно принципу Ле-Шателье

(см. табл. 4.1) внешнюю температуру надо понизить.

2. Данный процесс в прямом направлении идет с уменьшением числа моль газообразных веществ, давление в системе уменьшается, поэтому

(см. табл. 4.1) внешнее давление надо повысить.

Иными словами, чтобы увеличить выход продуктов данной реакции, надо уменьшить внешнюю температуру и увеличить давление.

Вопросы для самоподготовки

1. Что изучает химическая кинетика. Что понимают под скоростью гомогенных и гетерогенных процессов?

2. Перечислить факторы, которые влияют на скорость процессов, идущих в гомогенных и гетерогенных системах.

3. Охарактеризуйте зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Сформулируйте закон действия масс; дайте понятие константы скорости реакции.

4. В чем заключается физический смысл константы скорости реакции. От каких факторов зависит константа скорости.

5. Охарактеризуйте зависимость скорости реакции от температуры? Правило Вант-Гоффа.

6. Что понимают под энергией активации системы?

7. Какие процессы называют необратимыми и обратимыми? Для каких процессов может наступить состояние химического равновесия?

8. Что понимают под константой химического равновесия и от каких факторов она зависит?