ответы на лабораторные по химии. ответы по химии. Задача химии. Значение химии

• Название: Задача химии. Значение химии
• Анкор: ответы на лабораторные по химии
• Дата: 16.01.2022
• Размер: 270 Kb.
• Имя файла: ответы по химии.doc
• Тип: Задача; #332470
• страница: 3 из 5

Вопрос 13

Вопрос 13 Энтальпия образования вещества. Закон Гесса и его применение.

Закон Гесса. В 1841 году российский ученый Г.И.Гесс открыл за­кон, получивший его имя. Тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточ­ных стадий. Закон Гесса лежит в основе термохимических расчетов. Однако рамки его действия ограничены изобарно-изотермическими и изохорно-изотермическими процессами. Проиллюстрируем закон Гесса на примере реакции сгорания метана:СН4 + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О (г),dH = - 802,34 кДж.Эту же реакцию можно провести через стадию образованияСО:СН₄ + ³/₂О₂ = СО + 2Н₂О (г), dH°₂ = - 519,33 кДж,

СО + 1/₂O₂ = СО₂,dH°з = - 283,01 кДж,dH=dH1 + dH°₃ = (- 519,33) кДж + (- 283,01) кДж = - 802,34 кДж.

тепловой эффект реакции, протекающей по двум путям, одинаков.

Так как энтальпия зависит от со. стояния системы, но не зависит от пути процесса, то, если при проведе­нии процесса система вернулась в ис­ходное состояние, суммарное изме­нение энтропии системы равно нулю (dH = 0). Процессы, в которых сис­тема после последовательных пре­вращений возвращается в исходное состояние, называются круговыми процессами или циклами. Метод циклов широко используется в термодинамических расчетах. Рассмотрим использование метода циклов на примере реакции взаимодействия метана с водяным паром. Исходная система:СН₄ + 2 Н₂О (г), р = const, Т = 298 К: Сh4 + 2Н₂О (г) = СО + ЗН₂ + Н₂О (г), dH1 ;СО + Н₂О (г) = СО₂ + Н₂, dH₂; СО₂ + 4Н₂ = СН4 + 2Н₂О (г), dH₃.В результате этих трех реакций система вернулась в исходное со стояние, поэтому: Если известны любые два значения dH данного уравнения, можно определить третье. Например, известно dH°₂ = -41,2 кДж/моль, dH°₃ = -164,9 кДж/моль, тогда dH1=-dH°₂ - dH°₃ = + 41,2 + 164,9= = +206,1 кДж/моль. Итак, закон Гесса показывает, что каким бы путем не протекала реакция, ее тепловой эффект будет одинаков, если при этом не меня­ется конечное и исходное состояния системы.

Энтальпия химических реакций. Закон Гесса позволяет рассчитать энтальпию химических реакций. Согласно следствию из закона Гесса, энтальпия химической реакции равна сумме энтальпии образования продуктов реакций за вычетом суммы энтальпий образова­ния веществ исходных с учетом стехиометрических коэффициентов Стандартный тепловой эффект реакции получения водорода из природного газа:

СН4 + 2Н₂О(г) = СО₂ + 4Н₂ определяется по уравнению:

∆H⁰₂₉₈ =∆H_co2 298 +4∆H_H2 - ∆H_CH4 -2∆H_H2O

Подставляя значения величин энтальпий образования из приложения 2 (в кДж/моль), получаем

dH°298 = -1-393,51+4-0-1(-74,85)-2(241,82) = +164,98 кДж/моль. Как видно, данная реакция является эндотермической.

Вопрос 14. Свободная энергия Гиббса. Самопроизвольность протекания реакций. Свободная энергия Гиббса

По-другому наз-ся изобарный, изотермический потенциал. Обозначается ∆G [к дж/моль]. Энергия Гиббса простых веществ=0. Энергия ∆ Гиббса при простой температуре ∆Т=0,
∆G=∆H ⁰₂₉₈-Т∆S_298(х.р)

Физический смысл энергии Гиббса

Изменение свободной энергии равно максимально полезной работе, которую совершает система в изобарно-изотермическом процессе.

По энергии Гиббса мы можем определить самопроизвольность протекания реакции:

∆G>0 (не самопроиз-ый)

∆G=0(равновесный)

∆G<0(самопроиз-ый)



Самопроизвольность протекания реакций (2-ой закон термодинамики)

Самопроизвольным называют процесс, который протекает самопроизвольно без воздействия внешних факторов. Сущ. еще 1 функция сост.-я энтропия, которая показывает самопроизвольность протекания реакций

1850г. Клазиус - теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому. Обратный процесс можно получить, только оказав внешнее воздействие.

1896г. Больцман - в изолированной системе самопроизвольно протекают только те процессы, которые сопровождаются увеличением энтропии т.е.:∆S>0 (самопроиз-ый)

∆S=0(равновесный)

∆S<0(не самопроиз-ый)

Больцман вывел систему связывающую:

S=klnW, гдеS – энтропия,k – постоянная Больцмана, W – число микроскопических состояний системы (термодин. вероятность).

Энтропия показывает меру хаоса, т.е. неупорядочность системы.
Вопрос 15. Энтропия как мера термодинамической необратимости процесса. Второй закон термодинамики. Мерой неупорядоченности состояния системы служит термодинамическая функция, получившая название энтропии.

Состояние системы можно характеризовать микросостояниями составляющих ее частиц, т.е. их мгновенными координатами и ско­ростями различных видов движения в различных направлениях. Чис­ло микросостояний системы называется термодинамической вероятностью системы W. Так как число частиц в системе огромно (например, в 1 моль имеется 6,02-10²³ частиц), то термодинамическая вероятность системы выражается огромными числами. Поэтому пользуются логарифмом термодинамической вероятности In W. Величина, равная RlnW = S, называется энтропией системы. отнесенной к одному молю вещества. Как и молярная постоянная R, энтропия имеет единицу измерения Дж/(моль-К). Энтропия вещества в стандартном состоянии называется стандартной энтропией S⁰. В справочниках обычно приводится стандартная энтропия S{0}<298> при 298,15 К

В отличие от других термодиамических функций, можно определить не только изменение, но и абсолютное значение энтропии.Это вытекает из высказанного в 1911г. М. Планком постулата, согласно которому "при абсолютном нуле энтропия идеального кристалла равна нулю". Этот постулат получил название третьего закона термодинамики. По мере повышения температуры растет скорость различных видов движений частиц, т.е. число микросостояний и соответственно термодинамическая вероятность и энтропия вещества . При переходе вещества из твердого состояния в жидкое значительно увеличивается энтропия(∆S_пл). особенно резко растет энтропия при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное(∆S_кип). Также энтропия увеличивается при переходе вещества из кристаллического состояния в аморфное. Изменение энтропии системы в результате х.р. (∆S) (энтропия реакции) равно сумме энтропий продуктов реакций за вычетом энтропий исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов..

Второй закон термодинамики имеет несколько формулировок. Для систем, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом (изолированные системы), второй закон термодинамики имеет следующую формулировку: в изолированных системах самопроизвольно идут только такие процессы, которые сопровождаются возрастанием энтропии:. ∆S> 0.

Второй закон термодинамики имеет статистический характер, т.е. справедлив лишь для систем, состоящих из очень большого числа частиц.

Системы, в которых протекают химические реакции, не бывают изолированными, так как они сопровождаются изменением внутрен­ней энергии системы (тепловым эффектом реакции), т.е. система об­менивается энергией с окружающей средой. Химические реакции мо­гут протекать самопроизвольно и без возрастания энтропии, но при этом увеличивается энтропия окружающей среды. Например, хими­ческие реакции в организме любого существа сопровождаются уменьшением энтропии (происходит упорядочение системы). Однако организм получает энергию из окружающей среды (пища, воздух). Получение пищевых продуктов сопровождается возрастанием энтро­пии окружающей среды, т.е. жизнь каждого существа связана с воз­растанием энтропии.

Однако, если в системе протекает химическая реакция, то система обменивается энергией с окружающей средой, т.е. не является изоли­рованной. Химические реакции обычно сопровождаются изменением Как энтропии, так и энтальпии.

Вопрос 16. Химическая кинетика. Закон действующих масс гомогенных и гетерогенных систем. Скорость прямой и обратной реакции. Константа скорости химической реакции. Порядок и молекулярность реакции.

Химическая кинетика - это раздел химии, изучающий скорости хим. реакций. Основной задачей хим. кинетики явл. управление хим. процессом с целью обеспечения большой скорости и максимального высокого выхода целевого продукта. Все хим. реакции имеют сложный механизм.

Механизм реакции – это последовательность протекания промежуточных стадий реакций в результате которой происходит образование конечных веществ.

Лимитирующая реакция – это самая медленная стадия (реакция).

Закон действующих масс: При постоянной температуре скорость хим. реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, взятых в степенях их стехиометрических коэффициентов.

аА + вВ ↔ сС + dD

υ_прям=k[A]^a[B]^b n=a+b

υ_обр= k[C]^c[D]^d n=c+d

[] – концентрация, a,b – коэф. при соотв. значении молекул.

k – прямой и обратной реакции – константа пропорциональности и наз. она константой скорости хим. реакции. КС хим. реакции численно равна скорости реакции при концентрации реагирующих веществ равных 1 моль/литр, т.е. КС равна удельной скорости реакции.

Скорость хим. реакций – это число элементарных актов, происходящих в единицу времени в единицу объема (гомо) или на единицу поверхности (гетеро).

аА + вВ ↔ сС + dD

Реакции, протекающие слева направо и отражающие процесс взаимодействия исходных веществ наз. прямой реакцией. Реакции идущие в обратном направлении наз. обратной.

Скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации любого вещества в единицу времени.

v_гом=C₂-C₁/t₂-t₁=+ - ∆C/∆t

Знак «-» показывает, что происходит уменьшение исх. веществ.

«-» - прямая реакция;

«+» - обратная реакция, показывающая увеличение продуктов реакции

v=+ - dC/dt– истинная скорость хим. реакции.

Скорость гетерогенной реакции определенна количеством вещества вступившего в реакцию или получившегося в результате реакции за единицу времени на единицу поверхности раздела.

v_гом=C₂-C₁/t₂-t₁=+ - ∆Cs/∆t; v=+ - dCs/dt

Порядок реакции это сумма показателей степеней концентраций реагентов в кинетическом уравнении реакции.

Молекулярность реакции – это число молекул одновременно взаимодействие, которых осуществляется в элементарный акт хим. превращения. Существуют мономолекулярные реакции – это реакции, в которых акт хим. превращения представляет собой хим. превращение 1 молекулы (р-ции диссоциации), Бимолекулярные реакции – это реакции в которых элементарный акт осущ. при столкновении 2 молекул. И редко Тримолекулярные реакции – столкновение 3 молекул.

Вопрос17. Влияние температуры на скорость реакции, правило Вант-Гоффа, энергия активации, уравнение Аррениуса

Повышение температуры ускоряет большинство реакций. Согласно правилу Вант-Гоффа при увеличении температуры на 10 К скорость многих реакций увеличивается в 2-4 раза ν₂ = ν ₁^{T/ 10}

Где ν₂ и ν₁ – скорость реакции при температурах Т2 и Т1 , γ – коэффициент, значение которого для эндотермической реакции выше, чем для экзотермической реакции. Для многих реакций γ лежит в пределах 2-4.

Энергия, необходимая для перехода вещества в состояние активированного комплекса, называется энергией активации. Возможность образования активированного комплекса, а соответственно и хим. взаимодействия, определяется энергией молекул. Молекула, энергия которой достаточна для образования активированного комплекса, называется активной. С ростом температуры растёт доля этих частиц и соответственно скорость реакции. С увеличением энергии активации уменьшается доля активных молекул и скорость реакции.

В 1889 г. Шведский учёный С. Аррениус на основании экспериментов вывел уравнение, которое носит его имя: K = K₀e^(-Ea/RT), K – константа скорости реакции, K₀ – предэкспотенциальный множитель, e – это e. Ea – энергия активации.

Если при изменении температуры, концентрация реагентов остаётся постоянной то:

ν = ν ₀exp[-Ea/(RT)]

Ea/(2,3RT)=lgk/(1/T)

Вопрос 18. Гомогенный и гетерогенный катализ. Катализаторы и ингибиторы.

Общие понятия. Одним из наиболее распространенных мето­дов ускорения химических реакций является катализ. Этот метод осуществляется с помощью катализаторов — веществ, резко увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в ре­зультате ее протекания. Катализаторы могут участвовать в обра­зовании промежуточных продуктов реакции, но к концу взаимо­действия они полностью регенерируются.

Если катализатор и взаимодействующие вещества образуют однофазную систему, катализ называют гомогенным. Если же катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы, катализ называют гетерогенным.

Теория каталитических реакций исходит из некоторых общих положений: а) катализ как метод изменения скорости реакции применим только тогда, когда энергия Гиббса взаимодействия при данных условиях отрицательна (∆G<0); б) в присутствии катализатора изменяется механизм химической реакции, она про­текает через новые стадии, каждая из которых характеризуется невысокой энергией активации. Таким образом действие ката­лизатора сводится к тому, что он значительно снижает энергию активации катализируемой реакции; в) при катализе не изме­няется тепловой эффект реакции; г) если катализируемая реак­ция обратима, катализатор не влияет на равновесие, не меняет константы равновесия и равновесных концентраций компонентов системы. Он в равной степени ускоряет и прямую, и обратную реакции, тем самым, сокращая время достижения равновесия; д) катализаторы обычно действуют избирательно, селективно. Катализатор, активно ускоряющий одно взаимодействие, безраз­личен к другому. Избирательность действия зависит не только от природы катализатора, но и от условий его применения.

Активность того или иного катализатора зависит от многих факторов. Изменяя эти факторы, можно соответствующим обра­зом изменять активность и избирательность действия катали­затора. Прежде всего, при неизменных условиях скорость катали­тической реакции пропорциональна (в определенных пределах) количеству катализатора. Активность того или иного катализа­тора может быть резко повышена или понижена различными добавками. Добавки, увеличивающие активность катализатора, называются промоторами

Гомогенный катализ. Для объяснения механизма гомогенного катализа наибольшее распространение получила теория проме­жуточных соединений, предложенная французским химиком Сабатье и развитая в работах Н. Д. Зелинского и его школы. Согласно этой теории катализатор реагирует с исходными ве­ществами, образуя нестойкие промежуточные соединения, по­следующие превращения которых приводят к образованию нуж­ных продуктов реакции и регенерации катализатора.

Химическое взаимодействие катализатора с исходными веще­ствами направляет реакцию по пути, отличному от того, что осу­ществляется в отсутствие катализатора. В результате этого уменьшается энергия активации протекающего взаимодействия и увеличивается его скорость.

Гетерогенный катализ. Гетерогенный катализ всегда начина­ется с адсорбции молекул исходных веществ на поверхности твердого катализатора. При этом только обратимая адсорбция является началом каталитической реакции. Необратимая хемосорбция приводит к образованию на поверхности катализатора устойчивых соединений и тем самым к снижению активности катализатора.

При обратимой адсорбции молекул исходных веществ поверх­ностью твердого катализатора происходит ослабление связей между атомами в молекулах адсорбата. За этот счет снижается энергия активации катализируемой реакции, течение которой с высокой скоростью осуществляется на поверхности катализатора.

В 1929 г. А. А. Баландиным была создана мультиплетная теория гетерогенного катализа, в основу которой положен прин­цип структурного и энергетического соответствия между ката­лизатором и реагирующими веществами. Согласно этой теории, каталитически активными центрами катализатора являются мультиплеты — совокупности поверхностных атомов, участвую­щих в акте химического превращения. Катализатор активен лишь в том случае, если соблюдается соответствие расположения атомов в мультиплете и в реагирующей молекуле. Структурное соответствие обеспечивает избирательность катализатора. Вто­рым условием активности катализатора является энергетическое соответствие связей между атомами в молекулах реагирующих веществ и связей, которые образуют эти атомы с атомами катали­затора. Мультиплетная теория позволяет рассчитывать опти­мальные значения энергий связей и межатомных расстояний у реагирующих веществ и катализаторов и осуществлять выбор на­илучшего катализатора.