Решение. Запишем уравнение реакции в стандартном виде:

Запишем уравнение реакции в стандартном виде:

NO_(г) + O_2(г) Á NO_2(г); ∆ H_хр .

По закону Гесса с помощью таблицы 2.1 найдем стандартное изменение энтальпии при этой реакции:

∆ H⁰_хр = – = 33 – 91 = –58 кДж/моль

(поскольку кислород – простое вещество, то ∆ H ^{0 обр} = 0).

Теперь оценим изменение энтропии этой реакции. Качественная оценка может быть сделана на основе сопоставления числа молей газообразных конечных продуктов и исходных веществ:
∆ n = 1 – (1 + ) = – < 0. Поэтому ∆ S < 0.

Проверим этот вывод путем расчета, используя данные таблицы 2.1.

= 240 – 211 – 205 = –73, 5 Дж/моль К.

Знак выражения ∆ S ⁰ < 0 свидетельствует о том, что беспорядок в изолированной системе при протекании прямой реакции до конца уменьшается. Найденные стандартные изменения энтальпии и энтропии имеют одинаковый знак, что свидетельствует о существовании такой температуры, при которой ∆ G = 0, и равновесие химической реакции находится посередине.

Подставим числовые значения изменений стандартных энтропии и энтальпии химической реакции в уравнение (2.17) и вычислим значение ∆ G ⁰как функцию температуры:

∆ G ₈₀₀ = +0, 8; ∆ G ₉₀₀ = +8, 15; ∆ G ₁₀₀₀ = +15, 5; ∆ G ₁₁₀₀ = +22, 85 кДж/моль

На основании этих данных строим график ∆ G = f (Т):

Рис. 2.1. Зависимость изменения изобарного потенциала
от температуры для обратимой реакции, находящейся в равновесии

Из рис. 2.1 видно, что прямая линия на этом графике отражает совокупность равновесных состояний для обратимой реакции. Линия выражает множество равновесных состояний в заданном интервале температур. Роль температурного коэффициента для этой линии играет стандартная энтропия реакции ∆ S ⁰, взятая с обратным знаком: чем больше величина ∆ S ⁰, тем сильнее выражена зависимость ∆ G = f(T).

Точка пересечения с осью температуры характеризует температуру
T_{DG = 0} = 0, при которой ∆ G = 0. Из графика видно, что при T < T_{DG = 0}
(∆ G < 0) равновесие сдвинуто в сторону прямого процесса. Напротив, при
T > T_{DG = 0} (∆ G > 0), равновесие сдвинуто в сторону обратного процесса.

Величина стандартного изобарного потенциала позволяет оценить устойчивость, реакционную способность молекул и, соответственно, многие их химические свойства. Сопоставляя величины ∆ G ⁰ для ряда веществ, можно сделать вывод о характере кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств и др.

Задачи

21 Разложение бихромата аммония может быть описано следующим уравнением:

(NH₄)₂Cr₂O_7(Г) = Cr₂O_3(Т) + N_2(Г) + 4H₂O_(Г).

Разложение сопровождается выделением q = 1344 кДж тепла. Сколько литров азота при этом образуется? Условия нормальные.

Ответ: V = 100 л.

22–23 Сколько тепла выделяется при сгорании 100 л: 22) метана (CH₄); 23) ацетилена (C₂H₂), если продукты реакции находятся в газообразном состоянии?

Ответы: 34) –3580 кДж; 35) –5643 кДж.

24–27 Рассчитайте стандартную энтальпию образования первого в уравнении вещества исходя из приведенного термохимического уравнения реакции и данных по D Н^обр. (табл. 2.1).

28–31 Вычислите тепловой эффект указанной реакции исходя из стандартных теплот сгорания (табл. 2.2). Рассчитайте количество теплоты, которое выделится или поглотится, если в данную реакцию вступило V литров первого газа.

32–35 Поясните расчет теплового эффекта ∆ H_хр реакции на основании стандартных энтальпий образования (табл. 2.1). Вычислите количество тепла, выделяемое (поглощаемое) при вступлении в реакцию m граммов первого в уравнении вещества.

36–41 Исходя из уравнения реакции дайте качественную оценку изменения энтропии при протекании реакции до конца (учтите агрегатное состояние веществ). Используйте данные табл. 2.1, вычислите ∆ S ⁰ реакции.

42–44 Вычислите изменение термодинамических потенциалов ∆ H ⁰, ∆ S ⁰ и ∆ G⁰ при протекании заданных реакций. Сопоставляя знаки ∆ H ⁰ и ∆ S ⁰, укажите, в какой из реакций возможно установление равновесия, когда величина константы равновесия равна 1. Найдите температуру, при которой ∆ G ⁰ = 0.

42) Ca(HCO₃)_2(Т) = CaO_(Т) + 2CO_2(Г) + H₂O_(Г).

43) N_2(Г) + 3H_2(Г) = 2NH_3(Г).

44) 2H₂O_(Ж) + 2SO_2(Г) + O_2(Г) = 2H₂SO_4(Ж).

Ответы: 42) 1356 К; 43) 458 К; 44) 877 К.

45–50 Для заданной реакции (см. таблицу) вычислите температуру, при которой ∆ G ⁰ = 0. Рассчитайте стандартный изобарный потенциал обратимой реакции при температурах 900, 950 и 1000 К. Постройте график зависимости стандартного изобарного потенциала от температуры и сделайте вывод о направлении смещения положения равновесия при разных температурах.

3 СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Как известно, химические реакции могут протекать с различными скоростями. Скорость реакции зависит, прежде всего, от природы реагирующих веществ, а также от условий проведения реакций (концентраций реагентов, температуры, давления и т. д.).

Химические реакции называются гомогенными (однородными), если молекулы реагирующих веществ находятся в одной фазе (жидкой или газообразной). Такие реакции протекают во всем объеме системы.

Химические реакции называются гетерогенными, если реагирующие вещества находятся в разных фазах. Гетерогенные реакции проходят на поверхности раздела фаз, где соприкасаются реагирующие вещества.