Р.Х. Кудашев, А.Р. Гимадиева, З.М. Байметов 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Р.Х. Кудашев, А.Р. Гимадиева, З.М. Байметов



БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Р.Х. Кудашев, А.Р. Гимадиева, З.М. Байметов

 

 

ХИМИЯ

 

(Методическое пособие)

 

 

Уфа

Издательство БГАУ

 

УДК 54 (07)

ББК 24 (я7)

К 88

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета БашГАУ

Авторы: Р.Х. Кудашев, А.Р. Гимадиева, З.М. Байметов

Рецензент:

 

К 88 Химия. Методическое пособие /Р.Х. Кудашев,

А.Р. Гимадиева, З.М. Байметов. – Уфа: БашГАУ, 2011. - с.

 

ISBN 5-7456-0099-3

 

Методическое пособие предназначено для самостоятельного изучения химии и выполнения заданий для контрольных работ для студентов инженерных, природоохранных и экономических специальностей. Каждый раздел методического пособия включает изложение теоретических основ разделов химии, примеры решения типовых задач и конкретные варианты для их самостоятельного решения, а также рекомендуемую литературу.

Методическое пособие разработано в соответствии с требованиями, предъявляемыми ГОС ВПО 2000 г. по специальностям «Экономика и управление на предприятии (в аграрном производстве)», «Механизация сельского хозяйства», «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», «Природоохранное обустройство территорий»

 

УДК 54 (07)

ББК 24 (я7)

 

ISBN 5-7456-0099-3 ã Кудашев Р.Х., Гимадиева А.Р., Байметов З.М., 2011

ã Башкирский государственный аграрный университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

Введение…………………………………………………………………………….3

1 Задания и методические указания по выполнению контрольной работы……7

2 Периодическая система элементов Д.И. Менделеева………………………….9

3 Энергетика химических процессов (термохимические расчеты)……………..14

4 Химическое сродство…………………………………………………………….22

5 Химическая кинетика и химическое равновесие………………………………31

6 Способы выражения концентрации растворов…………………………………37

7 Ионно-молекулярные (ионные) реакции обмена………………………………41

8 Окислительно-восстановительные реакции……………………………………45

9 Электродные потенциалы и электродвижущие силы………………………….49

10 Электролиз………………………………………………………………………55

11 Коррозия металлов……………………………………………………………..59

12 Органические соединения, полимеры…………………………………………63

Библиография………………………………………………………………………69

 

Введение

 

Курс общей химии включает в себя материал, необходимый для формирования у будущих высококвалифицированных специалистов – инженеров и экономистов сельского хозяйства химического мышления, которое в дальнейшем поможет им решать разнообразные производственные и исследовательские задачи.

Необходимо, чтобы студент-заочник, изучая курс общей химии, обращал особое внимание на те разделы и даже отдельные вопросы курса, которые ближе всего отвечают профилю избранной им специальности: самопроизвольное протекание химических реакций, управление химическими процессами изменением скорости химической реакции и смещением химического равновесия, окислительно-восстановительные реакции, коррозию металлов и способы защиты от коррозии, полимеры и др.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса химии. Основной формой учебы студента-заочника является самостоятельная работа с рекомендуемой литературой.

В связи с этим главная задача методических указаний – оказание помощи обучающимся в освоении, систематизации и закреплении знаний по изучаемой дисциплине. Приступая к изучению курса целесообразно вначале ознакомиться с программой по химии.

В соответствии с учебным планом каждый студент должен выполнить одну контрольную работу, являющуюся результатом самостоятельной проработки курса.

Своевременно представленная в отдел заочного обучения контрольная работа служит основанием для вызова студента на лабораторно-экзаменационную сессию. Во время сессии после прослушивания лекций и выполнения лабораторных работ на экзамене студент проходит собеседование по материалу контрольной работы и сдает экзамен по всему курсу.

Контрольную работу следует писать аккуратно, разборчиво. Для замечаний рецензента необходимо оставлять поля. Условие задачи необходимо записывать полностью и указывать номера задач в соответствии с контрольным заданием.

Ход решения задач и все расчеты должны быть доведены до конца. Неряшливо или не полностью выполненная контрольная работа будет возвращена студенту.

Получив рецензию, студент должен внимательно ознакомиться со всеми замечаниями и указаниями преподавателя. Доработку неправильно выполненных задач необходимо проделать в конце тетради.

Если задача не получается, то нужно вернуться к учебнику. По неясным вопросам студент может получить консультацию в университете.

 

 

Таблица 1 Варианты контрольного задания

 

Последние две цифры шифра Номера задач для контрольной работы
   
  10, 30, 50, 70, 90, 110, 130, 150, 170, 190, 210, 230
  1, 21, 41, 61, 81, 101, 121, 141, 161, 181, 201, 221
  2, 22, 42, 62, 82, 102, 122, 142, 162, 182, 202, 202
  3, 23, 43, 63, 83, 103, 123, 143, 163, 183, 203, 223
  4, 24, 44, 64, 84, 104, 124, 144, 164, 184, 204, 224
  5, 25, 45, 65, 85, 105, 125, 145, 165, 185, 205, 225
  6, 26, 46, 66, 86, 106, 126, 146, 166, 186, 206, 226
  7, 27, 47, 67, 87, 107, 127, 147, 167, 187, 207, 227
  8, 28, 48, 68, 88, 108, 128, 148, 168, 188, 208, 228
  9, 29, 49, 69, 89, 109, 129, 149, 169, 189, 209, 229
  20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, 240
  11, 31, 51, 71, 91, 111, 131, 151, 171, 191, 211, 231
  12, 32, 52, 72, 92, 112, 132, 152, 172, 192, 212, 232
  13, 33, 53, 73, 93, 113, 133, 153, 173, 193, 213, 233
  14, 34, 54, 74, 94, 114, 134, 154, 174, 194, 214, 234
  15, 35, 55, 75, 95, 115, 135, 155, 175, 195, 215, 235
  16, 36, 56, 76, 96, 116, 136, 156, 176, 196, 216, 236
  17, 37, 57, 77, 97, 117, 137, 157, 177, 197, 217, 237
  18, 38, 58, 78, 98, 118, 138, 158, 178, 198, 218, 238
  19, 39, 59, 79, 99, 119, 139, 159, 179, 199, 219, 239
  19, 32, 57, 76, 93, 114, 137, 151, 173, 198, 217, 237
  1, 22, 43, 64, 85, 106, 127, 148, 171, 192, 213, 233
  2, 23, 44, 65, 86, 107, 128, 149, 172, 193, 214, 234
  3, 21, 46, 67, 88, 109, 131, 152, 174, 195, 215, 235
  4, 25, 45, 66, 87, 110, 129, 147, 173, 196, 212, 232
  5, 26, 47, 68, 89, 111, 130, 150, 175, 194, 211, 231
  6, 27, 41, 61, 82, 101, 132, 151, 176, 191, 201, 221
  7, 24, 42, 62, 81, 102, 133, 152, 177, 197, 202, 222
  8, 29, 49, 63, 83, 103, 121, 142, 163, 184, 203, 223
  9, 28, 50, 71, 92, 104, 122, 141, 178, 198, 204, 224
  18, 33, 54, 78, 97, 118, 136, 157, 174, 193, 216, 236
  10, 21, 42, 63, 84, 105, 126, 147, 168, 189, 220, 240
  11, 22, 43, 64, 85, 106, 127, 148, 169, 190, 219, 239
  12, 23, 44, 65, 86, 107, 128, 149, 170, 191, 218, 238
  13, 24, 45, 66, 87, 108, 129, 150, 171, 192, 217, 237
  12, 25, 46, 67, 88, 109, 130, 151, 172, 193, 216, 236
  13, 26, 47, 68, 89, 110, 131, 152, 173, 194, 215, 235
  14, 27, 48, 69, 90, 111, 132, 153, 174, 195, 214, 234
  15, 28, 49, 70, 91, 112, 133, 154, 175, 196, 213, 233
  16, 29, 50, 71, 92, 113, 134, 155, 176, 197, 212, 232
  17, 37, 54, 76, 92, 113, 134, 159, 178, 192, 215, 235
  17, 30, 51, 72, 93, 114, 135, 156, 177, 198, 211, 231
  18, 31, 52, 73, 94, 115, 136, 157, 178, 199, 210, 230
  19, 32, 53, 74, 95, 116, 137, 158, 179, 200, 209, 229
  20, 33, 54, 75, 96, 117, 138, 158, 180, 190, 208, 228
Продолжение таблицы 1
   
  2, 35, 56, 77, 98, 119, 140, 160, 178, 192, 206, 226
  3, 36, 57, 78, 99, 118, 138, 159, 180, 193, 205, 225
  4, 37, 58, 79, 100, 117, 139, 160, 179, 194, 204, 224
  5, 38, 58, 79, 99, 116, 140, 159, 180, 195, 203, 223
  16, 34, 55, 74, 94, 115, 138, 152, 172, 191, 212, 232
  6, 39, 59, 80, 100, 120, 121, 141, 161, 181, 202, 222
  7, 40, 60, 79, 81, 101, 122, 143, 164, 185, 201, 221
  8, 21, 41, 61, 82, 103, 123, 142, 162, 182, 220, 240
  9, 22, 42, 62, 83, 104, 124, 144, 163, 183, 218, 238
  10, 23, 43, 63, 84, 105, 125, 145, 165, 184, 219, 239
  11, 24, 44, 64, 85, 106, 125, 145, 164, 184, 217, 237
  12, 25, 45, 65, 86, 107, 126, 146, 165, 185, 216, 236
  13, 26, 46, 66, 87, 108, 127, 147, 166, 186, 215, 235
  14, 27, 47, 67, 88, 109, 128, 148, 167, 187, 214, 234
  15, 36, 56, 77, 95, 112, 133, 158, 176, 194, 211, 231
  15, 28, 48, 68, 89, 110, 129, 149, 168, 188, 213, 233
  16, 29, 49, 69, 90, 111, 130, 150, 169, 189, 212, 232
  17, 30, 50, 70, 91, 112, 131, 151, 170, 190, 211, 231
  18, 31, 51, 71, 92, 113, 132, 152, 171, 191, 210, 230
  19, 32, 52, 72, 93, 114, 133, 153, 172, 192, 209, 229
  20, 33, 53, 73, 94, 115, 134, 154, 173, 193, 208, 228
  1, 39, 54, 74, 95, 116, 135, 155, 174, 194, 207, 227
  2, 38, 55, 75, 96, 117, 136, 156, 175, 195, 206, 226
  3, 37, 56, 76, 97, 118, 137, 157, 176, 196, 205, 225
  14, 35, 51, 72, 93, 114, 135, 156, 175, 191, 213, 233
  4, 36, 57, 77, 98, 119, 138, 158, 177, 197, 204, 224
  5, 35, 58, 78, 99, 120, 139, 159, 178, 198, 203, 223
  6, 34, 59, 79, 100, 118, 140, 160, 179, 199, 202, 222
  7, 33, 60, 80, 99, 120, 139, 151, 180, 200, 201, 221
  8, 32, 59, 79, 98, 119, 138, 152, 171, 192, 220, 240
  9, 31, 58, 78, 97, 118, 137, 153, 172, 191, 210, 230
  10, 30, 57, 77, 96, 117, 136, 154, 173, 192, 219, 239
  11, 29, 56, 76, 95, 116, 135, 155, 174, 193, 218, 238
  12, 28, 55, 75, 94, 115, 134, 156, 175, 194, 217, 237
  13, 39, 58, 79, 91, 111, 131, 154, 171, 197, 214, 234
  13, 27, 54, 74, 93, 114, 133, 157, 176, 195, 201, 221
  14, 26, 53, 79, 93, 113, 132, 158, 177, 196, 206, 226
  15, 25, 52, 72, 92, 112, 131, 159, 178, 197, 203, 223
  16, 24, 51, 71, 91, 111, 130, 160, 179, 198, 207, 227
  17, 23, 50, 70, 90, 110, 129, 151, 180, 199, 209, 229
  18, 22, 49, 69, 89, 109, 128, 152, 171, 200, 202, 222
  19, 21, 48, 68, 87, 108, 127, 153, 172, 191, 204, 224
  20, 22, 47, 67, 87, 107, 126, 154, 173, 192, 205, 225
  1, 23, 46, 66, 86, 106, 125, 155, 174, 193, 208, 228
  12, 30, 51, 72, 93, 114, 135, 156, 177, 198, 218, 238
  2, 24, 45, 65, 85, 105, 124, 156, 175, 194, 210, 230
  3, 25, 44, 64, 84, 104, 123, 157, 176, 195, 211, 231
  4, 26, 43, 63, 83, 103, 122, 158, 177, 196, 212, 232
   
Окончание таблицы 1
   
  5, 27, 42, 62, 82, 102, 121, 159, 179, 197, 213, 233
  6, 28, 41, 61, 81, 101, 130, 160, 180, 198, 214, 234
  7, 29, 59, 70, 100, 119, 131, 150, 170, 199, 215, 235
  8, 30, 58, 79, 99, 118, 138, 158, 178, 191, 216, 236
  9, 31, 57, 78, 98, 117, 132, 159, 179, 192, 217, 237
  10, 32, 56, 77, 97, 116, 133, 152, 180, 193, 218, 238

 

Задания и методические указания по выполнению контрольной работы

Строение атома

 

Каждая цифра в таблице Д.И. Менделеева имеет определенный физический смысл. Поэтому характеристики и схему строения атома любого элемента можно определить по положению его в таблице.

Пример 1. Составьте схему строения атома элемента №15.

Решение. Элемент №15 – фосфор, химический знак Р. Для элементов малых периодов главных подгрупп удобно пользоваться следующей схемой:

Таблица 2 Схема строения атома фосфора

Положение элемента в таблице Характеристики строения атома
Порядковый номер 15 Число протонов в ядре 15 Заряд ядра +15 Общее число электронов 15
Номер периода 3 Число электронных слоев 3
Номер группы 5 Число электронов на внешнем слое 5
Подгруппа главная Высшая степень окисления +5 Низшая степень окисления -3
Схема строения: ядро атома Р + 15 Электронные оболочки атома Р I II III ))) 2ē 8ē 5ē валентные электроны

 

Пример 2. Скандий (Sc) расположен в 4 периоде третьей группы в побочной подгруппе. Его три валентных электрона распределены так: 2ē – на 4-м слое, а 1ē помещен вместе с восемью имеющимися на третьем слое.

Схема строения:

ядро атома Sc электронные слои атома Sc

I II III IV

))))

2ē 8ē 8ē + 1ē 2ē

валентные электроны

 

1.2 Контрольные вопросы

1-20. Составьте электронные формулы и представьте графически размещение электронов по квантовым ячейкам для указанных в таблице 2 элементов, соответствующих вашему заданию. Проанализируйте возможности разъединения спаренных электронов при возбуждении атомов с образованием валентных электронов в соответствии с теорией спин-валентности.

 

Таблица 3 Задания к номерам 1-20

№ задания Элементы № задания Элементы
  углерод, скандий   марганец, бор
  азот, титан   фтор, медь
  кислород, ванадий   цинк, натрий
  фтор, хром   селен, кадмий
  алюминий, мышьяк   олово, бериллий
  кремний, бром   никель, йод
  фосфор, калий   сера, германий
  сера, кальций   кобальт, азот
  хлор, бериллий   алюминий, криптон
  аргон, железо   ванадий, теллур

Д.И. Менделеева

 

Пример 1. Какую высшую степень и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение. Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns2np6).

Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA-группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s2p3, s2p4 и s2p5. Ответ на вопрос см. в таблице 4.

Таблица 4 Степени окисления мышьяка, селена, брома

Элемент Степень окисления Соединения
высшая низшая
As +5 -3 H3AsO4, H3As
Se +6 -2 SeO3, Na2Se
Br +7 -1 KBrO4, KBr

 

Пример 2. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Электронные формулы данных элементов:

25Mn 1s22s22p63s23p63d54s2

35Br 1s22s22p63s23p63d104s24p5

Марганец – d-элемент VIIB-группы, а бром – p-элемент VIIA-группы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно приобретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы.

Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих p- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома.

Пример 3. Как зависят кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов от степени окисления атомов элементов их образующих? Какие гидроксиды называются амфотерными (амфолитами)?

Решение. Если данный элемент проявляет переменную степень окисления и образует несколько оксидов и гидроксидов, то с увеличением степени окисления свойства последних меняются от основных к амфотерным и кислотным. Это объясняется характером электролитической диссоциации (ионизации) гидроксидов ЭОН, которая в зависимости от сравнительной прочности и полярности связей Э–О и О–Н может протекать по двум типам:

       
 
   
 

 

 


 
 

Полярность связей, в свою очередь, определяется разностью электроотрицательностей компонентов, размерами и эффективными зарядами атомов. Диссоциация по кислотному типу (II) протекает, если ЕО-Н << ЕЭ-О (высокая степень окисления), и по основному типу (I), если ЕО-Н >> ЕЭ-О (низкая степень окисления). Если прочности связей О–Н и Э–О близки или равны, диссоциация гидроксила может одновременно протекать и по (I), и по (II) типам. В этом случае речь идет об амфотерных электролитах (амфолитах):

 

где Э – элемент;

n – его положительная степень окисления.

В кислой среде амфолит проявляет основной характер, а в щелочной среде – кислый характер:

Ge(OH)3 + 3 HCl = GeCl3 + 3 H2O

Ge(OH)3 + 3 NaOH = Na3GeO3 + 3 H2O

 

2.1 Контрольные вопросы

21. Исходя из положения германия и технеция в периодической системе, составьте формулы мета-, ортогерманиевой кислот и оксида технеция, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически.

22. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s - и p -элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

23. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность р -элементов в периоде, в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

24. Исходя из положения германия, молибдена и рения в периодической системе, составьте формулы водородного соединения германия, оксида молибдена и рениевой кислоты, отвечающие их высшей степени окисления. Изобразите формулы этих соединений графически.

25. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

26. Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.

27. Какой из элементов четвертого периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте исходя из строения атомов данных элементов.

28. Марганец образует соединения, в которых он проявляет степень окисления +2, +3, +4, +6, +7. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида марганца (IV).

29. У какого элемента четвертого периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

30. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

31. У какого из р -элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов.

32. Исходя из положения металла в периодической системе, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов более сильное основание: Ba(OH)2 или Mg(OH)2; Ca(OH)2 или Fe(OH)2; Cd(OH)2 или Sr(OH)2?

33. Исходя из степени окисления атомов соответствующих элементов, дайте мотивированный ответ на вопрос: какой из двух гидроксидов является более сильным основанием: CuOH или Cu(OH)2; Fe(OH)2 или Fe(OH)3; Sn(OH)2 или Sn(OH)4? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида олова (II).

34. Какую низшую степень окисления проявляют водород, фтор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений кальция с данными элементами в этой их степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

35. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и азот? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

36. Хром образует соединения, в которых он проявляет степени окисления +2, +3, +6. Составьте формулы его оксидов и гидроксидов, отвечающих этим степеням окисления. Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида хрома (III).

37. Атомные массы элементов в периодической системе непрерывно увеличиваются, тогда как свойства простых тел изменяются периодически. Чем это можно объяснить? Дайте мотивированный ответ.

38. Какова современная формулировка периодического закона? Объясните, почему в периодической системе элементы аргон, кобальт, теллур и торий помещены соответственно перед калием, никелем, йодом и протактинием, хотя и имеют большую атомную массу?

39. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

40. Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э2О5? Какой их них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам, и изобразите их графически.

 

 

Химическое сродство

При решении задач этого раздела см. таблицы 5-7.

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре проходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению Н; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая - с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.

Энтропия S, так же, как внутренняя энергия U, энтальпия Н, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, H, V обладают аддитивными свойствами, т.е. при соприкосновении системы суммируются. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, ослаблении при 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 является функцией состояния, т.е. ее изменение (D S) зависит только от начального (S1) и конечного (S2) состояния и не зависит от пути процесса:

DS х.р. = SDS 0прод - SDS 0исх (2)

DS = S2 – S1. Если S2>S1, то DS>0. Если S2<S1, то DS<0.

Так как энтропия растет сповышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка»ТDS. Энтропия выражается в Дж/(моль К). Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку (ТS). При р = const и T = const общую движущую силу процесса, которую обозначают D G, можно найти из соотношения:

D G = (H2-H1) – Т(S2-S1); D G = D H - TDS

Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом, или энергией Гиббса. Итак, мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса (D G), которая зависит от природы вещества, его количества и от температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому:

DGх.р. = SDG 0прод - SDG 0исх (3)

Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и, в частности, в сторону уменьшения DG. Если DG<0, процесс принципиально осуществим; если DG>0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше DG, тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором DG = 0 и DH = TDS.

Из соотношения DG = DH - TDS видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых DH>0 (эндотермические). Это возможно, когда DS>0, но |TDS| > |DH|, и тогда DG<0. С другой стороны, экзотермические реакции (DH<0) самопроизвольно не протекают, если при DS<0 окажется, что DG>0.

 

Таблица 6 Стандартная энергия Гиббса образования DG0298

некоторых веществ

Вещество Состояние DG0298, кДж/моль Вещество Состояние DG0298, кДж/моль
ВаСО3 к -1138,8 ZnO к -318,2
СаСО3 к -1128,75 FeО к -244,3
Fe3O4 к -1014,2 Н2О ж -237,19
ВеСО3 к -944,75 H2O г -228,59
СаО к -604,2 РbO2 к -219,0
ВеО к -581,61 СО г -137,27
ВаО к -528,4 СН4 г -50,79
СО2 г -394,38 2 г -51,81
NaCl к -384,03 г +86,69
NaF к -541,0 С2Н2 г +209,20

 

Пример 1. В каком состоянии энтропия 1 моль вещества больше: в кристаллическом или в парообразном при той же температуре?

Решение. Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядоченно и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для газа таких ограничений нет. Объем 1 моль газа гораздо больше, чем объем 1 моль кристаллического вещества; возможность хаотичного движения молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моль паров вещества больше энтропии 1 моль его кристаллов при одинаковой температуре.

Пример 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе:

СН4 (г) + СО2 (г) «2 СО (г) + 2 Н2 (г)

Решение. Для ответа на вопрос следует вычислить DG0298 прямой реакции. Значения DG0298 соответствующих веществ приведены в таблице 6. Зная, что DG есть функция состояния и что DG для простых веществ, находящихся в устойчивых при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим DG0298 процесса:

DG0298 = 2 (-137,27) + 2 (0) - (-50,79 - 394,38) = +170,63 кДж.

То что DG0298>0, указывает на невозможность самопроизвольного протекания прямой реакции при Т = 298 К и равенстве давлений взятых газов 1,013×105 Па (760 мм рт. ст. = 1 атм).

Пример 3. На основании стандартных теплот образования (таблица 5) и абсолютных стандартных энтропий веществ (таблица 7) вычислите DG0298 реакции, протекающей по уравнению:

СО (г) + Н2О (ж) = СО2 (г) + Н2 (г)

Решение. DG0 = DН0 -ТDS0; DН и DS - функции состояния, поэтому:

0хр = SDН0прод - SDН0исх; DS0хр = SDS0прод - SDS0исх

0хр = (-393,51 + 0) - (-110,52 - 285,84) = +2,85 кДж;

DS0хр = (213,65 + 130,59) - (197,91 + 69,94) = +76,39 = 0,07639 кДж/(моль×К)

DG0 = +2,85 - 2980,07639 = -19,91 кДж.

Пример 4. Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению:

Fe2O3 (к) + 3 Н2 (г) = 2 Fе (к) + 3 Н2O (г); DНхр = +96,61 кДж.

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии DS = 0,1387 кДж/(моль×К)? При какой температуре начнется восстановление Fe2O3?

Решение. Вычисляем DG0 реакции:

DG0 = DН0 -ТDS0 = 96,61 - 298×0,1387 = +55,28 кДж,

Так как DG>0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия). Найдем температуру, при которой DG = 0:

 
 

 


Следовательно, при температуре»696,5 К начнется реакция восстановления Fe2O3. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

Пример 5. Вычислите DH0, DS0 и DG0т реакции, протекающей по уравнению Fe2O3 (к) + 3 С = 2 Fe + 3 СО (г). Возможна ли реакция восстановления Fe2O3 углеродом при температуре: 500 или 1000 К?

Решение.

DH0хр = [3 (-110,52) + 2×0] – [-882,10 + 3×0] = -331,56 - 882,10 = +490,54 кДж;

DS0хр = (2/27,2 + 3×197,91) - (89,96 + 3×5,69) = 541,1 Дж/К = 0,5411 кДж/К.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения DG0T = DН0 -ТDS0:

DG0500 = 490,54 - 500×0,5411 = +219,99 кДж

DG01000 = 490,54 - 1000×0,5411 = -50,569 кДж

Так как DG500>0, а DG1000<0, то восстановление Fe2O3 углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

 

 

Таблица 7 Стандартные абсолютные энтропии S0298 некоторых веществ

Вещество Состояние S0298 , Дж/(моль×К) Вещество Состояние S0298 , Дж/(моль×К)
С Алмаз 2,44 Н2О г 188,72
С Графит 5,69 N2 г 191,49
Fe к 27,2 NH3 г 192,50
Ti к 30,7 СО г 197,91
S Ромб. 31,9 C2H2 г 200,82
TiO2 к 50,3 O2 г 205,03
FeO к 54,0 H2S г 205,64
H2O ж 69,94 NO г 210,20
Fe2O3 к 89,96 CO2 г 213,65
NH4Cl к 94,5 C2H4 г 219,45
CH3OH ж 126,8 Cl2 г 222,95
Н2 г 130,59 NO2 г 240,46
Fe3O4 к 146,4 PCl3 г 311,66
СН4 г 186,19 РСl5 г 352,71
НС1 г 186,68      

 

4.1 Контрольные вопросы

61. Вычислите DG0298 для следующих реакций:

а) 2 NaF (к) + Сl2 (г) = 2 NаС1 (к) + F2 (г);

б) РbО2 (к) + 2 Zn (к) = Рb (к) + 2 ZnO (к).

Можно ли получить фтор по реакции (a) и восстановить РbО2 цинком по реакции (б)? Ответ: +313,94 кДж: -417,4 кДж.

62. При какой температуре наступит равновесие системы:

4 НС1 (г) + O2 (г) «2 Н2О (г)+2 С12 (г); DН = -114,42 кДж?

Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем и при каких температурах? Ответ: 891 К.

63. Восстановление Fe3O4 оксидом углерода идет по уравнению:

Fe3O4 (к) + СО (г) = 3 FeO (к) + CO2

Вычислите DG0298 и сделайтевывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно DS0298 в этом процессе? Ответ: +24,19 кДж; +31,34 Дж/моль×К.

64. Реакция горения ацетиленаидет по уравнению:

С2Н2 (г) + 5/2 О2 (г) = 2 СО2 (г) + Н2О (ж)

Вычислите DG0298 и DS0298. Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции. Ответ: -1235,15 кДж; -216,15 Дж/(моль×К).

65. Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? Вычислите DS0298 для каждого превращения. Сделайте вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях.

Ответ: а) 118,78 Дж/(моль×К); б) -3,25 Дж/(моль×К).

66. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция:

Н2 (г) + СО2 (г) = СО (г) + Н2О (ж); DН = -2,85 кДж?

Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите DG0298 этой реакции. Ответ: +19,91 кДж.

67. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе:

2 NO (г) + O2 (г) «2 NO2 (г)

Ответ мотивируйте, вычислив DG0298 прямой реакции. Ответ: -69,70 кДж.

68. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ, вычислите DG0298 реакции, протекающей по уравнению:

3 (г) + НС1 (г) = NН4С1 (к)

Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно?

Ответ: -92,08 кДж.

69. При какой температуре наступит равновесие системы:

СО (г) + 2 Н2 (г) «СН3ОН (ж); DН = -128,05 кДж?

Ответ:»385,5 К.

70. При какой температуре наступит равновесие системы.

СН4 (г) + СO2 (г) = 2 СО (г) + 2Н2 (г); DН = 247,37 кДж?

Ответ:»961,9 К.

71. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите DG0298 реакции, протекающей по уравнению:

4 NН3 (г) + 5 O2 (г) = 4 NO (г) + 6 Н2O (г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -957,77 кДж.

72. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите DG0298 реакции, протекающей по уравнению:

СО2 (г) + 4 Н2 (г) = СН4 (г) + 2 Н2О (ж).

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -130,89 кДж.

73. Вычислите DH0, DS0 и DG0т реакции, протекающей по уравнению:

Fe2О3 (к) + 3 Н2 (г) = 2 Fe (к) + 3 Н2O (г)

Возможна ли реакция восстановления Fe2О3 водородом при температурах 500 и 2000 К? Ответ: +96,61 кДж; 138,83 Дж/моль×К; 27,2 кДж; -181,05 кДж.

74. Какие из карбонатов: СаСО3, ВеСО3 или ВаСО3 - можно получить по реакции взаимодействия соответствующих оксидов с СО2? Какая реакция идет наиболее энергично? Вывод сделайте, вычислив DG0298 реакций. Ответ: +31,24 кДж; -130,17 кДж; -216,02 кДж.

75. На основании стандартныхтеплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите DG0298 реакции, протекающей по уравнению:

СО (г) + 3 Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О (г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -142.16 кДж.

76. Вычислите DH0, DS0 и DG0т реакции, протекающей по уравнению:

ТiO2 (к) + 2 С (к) = Тi (к) + 2 СО (г)

Возможна ли реакция восстановления ТiO2 углеродом при температурах 1000 и 3000 К? Ответ: +722,86 кДж; 364,84 Дж/моль×К; +358,02 кДж; -371,66 кДж.

77. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите DG0298 реакции, протекающей по уравнению:

С2Н4 (г) + 3 О2 (г) = 2 СО2 (г) + 2 Н2О (ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -1331,21 кДж.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-12-10; просмотров: 157; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.207.178.236 (0.152 с.)