Задачи для контрольной работы. 1–10. Кратко укажите, в чем различие и сходство между газообразным, жидким и твердым состоянием?

1–10. Кратко укажите, в чем различие и сходство между газообразным, жидким и твердым состоянием? Какие из собственных характеристик вещества определяют его агрегатное состояние при обычных условиях? Почему некоторые вещества не имеют всех трех агрегатных состояний? Приведите примеры. Используя для расчетов уравнение Менделеева-Клапейрона и закон Авогадро, проставьте в таблице недостающие данные в соответствии со своим вариантом (в двух рядах таблицы).

 

№задачи	Формула газа	Давление,атм	Давление, Па	Число молей	Объем, л	Масса, кг	Число молекул	Т0 К	t0
1,2	CO2					0,040
1,2,3	H2		105	0,5
3,4	N2						6,02∙1020
4,5	CH4					0,5
5,6	O2			2,5
6,7	Ne					1,2
7,8	Cl2		104			0,35
8,9	CO
9,10	NO		106	0,75
	N2O

11–20. Как связано произведение PV(RT) с суммарной кинетической энергией молекул 1 моля газа? Какой физический смысл вкладывает молекулярно-кинетическая теория в понятие «температура» и «абсолютный нуль» (-273⁰С)? Используя выводы молекулярно-кинетической теории, рассчитайте недостающие в таблице данные (в соответствии со своим вариантом).

 

 

№ задачи	Формула вещества	Молек. масса, кг	Т0 К	t0 C	Скорость движ. молекул, м/ с
	CO2
	H2				609,47
	N2
	CH4				500,1
		0,032
	Ne
	Cl2
	CO
	NO
	N2O			-20

 

Химическая термодинамика и термохимия

 

Вопросы для самопроверки

1. Что такое энергия? Перечислите известные вам ее виды. Сформулируйте закон сохранения энергии.

2. Что понимается под внутренней энергией термодинамической системы? Что такое энтальпия? Какова связь между внутренней энергией и энтальпией?

3. Сформулируйте первое начало термодинамики. Приведите его математическое выражение. В чем особенности тепловой энергии?

4. Сформулируйте закон Гесса. Укажите условия его применения. Как рассчитывают тепловые эффекты реакций, которые не могут быть найдены экспериментально? Какие данные для этого необходимы?

5. Укажите связь закона Гесса с первым законом термодинамики.

6. Как определяют теплоты реакций из энтальпий образования веществ?

7. Что такое параметр состояния? Какие параметры состояния термодинамической системы являются интенсивными, экстенсивными? Перечислите термодинамические параметры, применяющиеся для описания систем, в которых протекает химическая реакция (в том числе и биологических).

8. Какие процессы в термодинамике называются обратимыми; необратимыми? Приведите примеры. Как изменяется энтропия систем, в которых протекают эти процессы?

9. Что такое энтропия? Какой физический смысл имеет различие величин ΔS и ΔQ/T в случае необратимых процессов? Как может изменяться энтропия изолированной, закрытой и открытой систем?

10.Каково статистическое толкование понятия энтропия? Как изменяется энтропия в процессе жизнедеятельности и гибели живого организма как открытой системы?

11.Укажите, увеличится или уменьшится энтропия в следующих процессах: плавление льда, разложение ↔ N₂O₄ (N₂O₄ = 2NO₂), получение аммиака (N₂ + 3H₂ = 2NH₃), растворение поваренной соли в воде. Дайте объяснения на основе представлений об изменении степени упорядоченности в этих системах.

12.Сформулируйте третий закон термодинамики. Как на его основе производят вычисление абсолютных энтропии? Для чего нужны эти величины?

13. Как связана величина свободной энергии химического процесса с константой его равновесия? Каково значение этого выражения?

14. Рассмотрите, как изменяется энтропия при переходе от неживой (косной) материи к живому веществу в процессе эволюции.

15. Согласуется ли возникновение высокоорганизованной материи (жизни) со вторым законом термодинамики?

 

Решение типовой задачи

1. Вычислить изменение стандартной энтропии образова­ния (ΔS°o6paз.) этанола из элементов, пользуясь табличными данными абсолютных энтропии веществ при 25 °С (стандарт­ных энтропии веществ) S°₂₉₈.

Вещество S0298 Дж/к·моль

С (т) графит 5,21

Н₂ (г) 130,52

О₂ (г) 205,18

С₂Н₅ОН (ж) 160,78

 

Решение. ΔS⁰_образ. = ΣS⁰_пр – ΣS⁰_реаг.

Уравнение образования этанола из элементов:

2С+ЗН₂+1/20₂ =С₂Н₅ОН

Подставляя величины S°₂₉₈ в уравнение для данной реакции, получим с учетом коэффициентов уравнения реакции:

ΔS°o6paз= 160,78– (2·5,21+3·130,52+1/2· 205,18) = –343,79 Дж/к·моль

2. Вычислите изменение энтропии при плавлении 10 г воды. Удельная теплота плавления q равна 19,12 Дж/г.

Решение. Изменение энтропии для изотермического обратимого процесса можно рассчитать по формуле:

ΔS = Q/T,

где ΔS — изменение энтропии процесса; Q – теплота процесса; Т – температура °К.

Температура плавления льда 273,16 °К.

Таким образом, ΔSпл. 1 г воды найдем как

ΔS = = = 0,070 Дж/К·г

Для плавления 10 г вещества будем иметь 0,70 Дж/К·г.

3. Найти энтальпию процесса, соответствующего простейшему уравнению фотосинтеза, по величинам энтальпий образования исходных веществ и продуктов реакции.

Решение. Простейшее уравнение фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ = 6О₂ + ΔН_х

Стандартные энтальпии образования веществ, участвующих в этом процессе, найдем в таблице (см. приложения).

ΔН⁰₂₉₈С₆Н₁₂О₆ = - 2820,1 кДж/моль

Δ Н⁰₂₉₈СО₂ = - 393,5 кДж/моль

Δ Н⁰₂₉₈ Н₂О = - 241,8 кДж/моль

Δ Н⁰₂₉₈ О₂, как простого вещества, равно 0

Воспользуемся для решения задачи законом Гесса. Для этого запишем термохимические уравнения всех процессов образования указанных веществ.

6С + 3О₂ + 6Н₂ = С₆Н₁₂О₆+ΔН₁ (1)

С + О₂ = СО₂+ΔН₂ (2)

Н₂ + 1/20₂ = Н₂О+ΔНз (3)

Умножим уравнения (2) и (3) на минус шесть и сложим почленно все эти уравнения, получим:

6С+ЗО₂+6Н₂—6С—6О₂—6Н₂—ЗО₂ = C₆Н₁₂О₆ + ΔH₁—6СО₂—6ΔН₂—6Н₂О—бΔНз. Произведем алгебраическое сложение:

—6О₂ = С₆Н₁₂О₆ +ΔН₁—6ΔН₂—бΔНз— 6СО₂—6Н₂О

переносим переносим

вправо влево

окончательно

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + ΔН₁ -6ΔН₂ – 6ΔН₃

ΔН_х

Получим искомое уравнение фотосинтеза, из которого ясно, что

ΔH_x=ΔH₁—6ΔН₂— 6ΔНз

Итак, ΔН_Х = —2820,1—6(—393,5)—6(—241,8) =991,7 кДж/моль