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 Для экзотермических реакций 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 В термохимических уравнениях указывают значение энтальпии химической реакции 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 Энергия Гиббса Самопроизвольно протекают процессы, идущие в сторону уменьшения любого потенциала и, в частности, в сторону уменьшения Таблица 5 Стандартные энтальпии образования
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: 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.
Большинство химических реакций являются обратимыми: аА + вВ отношение констант скоростей – величина постоянная, называемая константой равновесия
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 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 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 Суммирование производят с учетом числа моделей, участвующих в реакции веществ, С учетом выше сказанного Согласно табличным данным: Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения
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 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 б) определите изменение энергии Гиббса 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 (
где т – масса растворенного вещества (г), т1 – масса раствора (г). Молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1л раствора:
где М- молярная масса вещества (г/моль), V- объем раствора (л). Моляльная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000г растворителя:
где т2 – масса растворителя (г). Молярная концентрация эквивалента (или нормальность) показывает число эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:
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
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
Контрольные задания: 101-120. Найти массовую долю, молярную концентрацию, моляльную концентрацию для следующих растворов:
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|