Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул — КиберПедия 

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...

Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул



Тип молекулы Исходные орбитали атома А Тип гибридизации Число гибридных орбиталей атома А Пространственная конфигурация молекулы
АВ2 s + p sp Линейная
АВ3 s + p + p sp2 Треугольная
АВ4 s + p + p + p sp3 Тетраэдрическая

 

Пример 3. Как метод молекулярных орбиталей (МО) описывает строение двухатомных гомоядерных молекул элементов, второго периода?

Решение. Метод валентных связей (ВС) не может объяснить целый ряд свойств и строение некоторых молекул (парамагнетизм молекулы О2; большую прочность связей в молекулярных ионах и , чем, соответственно, в молекулах F2 и O2; наоборот, меньшую прочность связи в ионе , чем а молекуле N2; существование молекулярного иона и неустойчивость молекулы Нe2 и т.п.). Более плодотворным оказался другой подход к объяснению ковалентной связи – метод молекулярных орбита-лей (МО). В методе МО состояние молекулы описывается как совокупность электронных молекулярных орбиталей. При этом число молекулярных орбиталей равно сумме атомных орбиталей. Молекулярной орбитали, возникающей от сложения атомных орбиталей (АО), соответствует более низкая энергия, чем исходным орбиталям. Такая МО имеет повышенную электронную плотность в пространстве между ядрами, способствует образованию химической связи и называется связывающей. Молекулярной орбитали, образовавшейся от вычитания атомных, соответствует более высокая энергия, чем атомным орбиталям. Электронная плотность в этом случае сконцентрирована за ядрами атомов, а между ними равна нулю. Подобные МО энергетически менее выгодны, чем исходные АО, они приводят к ослаблению химической связи и называются разрыхляющими. Электроны, занимающие связывающие и разрыхляющие орбитали, называют соответственно связывающими (св) и разрыхляющими (разр) электронами. Заполнение молекулярных орбиталей происходит при соблюдении принципа Паули и правила Хунда по мере увеличения их энергии в такой последовательности:

На рис. 2. изображена энергетическая схема образования молекулярных орбиталей из атомных для двухатомных гомоядерных (одного и того же элемента) молекул элементов второго периода. Число связывающих и разрыхляющих электронов зависит от их числа в атомах исходных элементов.

Рис. 2. Энергетическая схема образования молекулярных
орбиталей из атомных для гомоядерных молекул второго периода

 

Следует отметить, что при образовании молекул В2, С2 и N2 энергия связывающей s2px-орбитали больше энергии связывающих p2py- и p2pz-орбиталей, тогда как в молекулах О2 и F2, наоборот, энергия связывающих p2py- и p2pz-орбиталей больше энергии связывающей s2px-орбитали. Это нужно учитывать при изображении энергетических схем (рис. 2) соответствующих молекул.



Порядок связи в молекуле определяется разностью между числом связывающих и разрыхляющих орбиталей, деленный на два. Порядок связи может быть равен нулю (молекула не существует), целому или дробному положительному числу.

Подобно электронным формулам, показывающим распределение электронов в атоме по атомным орбиталям, в методе МО составляются формулы молекул, отражающие их электронную конфигурацию. По аналогии с атомными s-, p-, d-, f-орбиталями молекулярные орбитали обозначаются греческими буквами s p d j.

Так, электронная конфигурация молекул О2 описывается следующим образом:

.

Буквами КК показано, что четыре 1 s-электрона (два связывающих и два разрыхляющих) практически не оказывают влияния на химическую связь.

Контрольные вопросы

61.Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?

62.Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательности атомов соответствующих элементов? определите, какая из связей: HI, ICI, BrF – наиболее полярна.

63.Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NN+4 и ВF-4? Укажите донор и акцептор.

64.Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы BeCl2 и тетраэдрическое СН4?

65.Какую ковалентную связь называют s-связью и какую p-связью? Разберите на примере строения молекулы азота.

66.Сколько неспаренных электронов имеет атом хлора в нормальном и возбужденном состояниях? Распределите эти электроны по квантовым ячейкам. Чему равна валентность хлора, обусловленная неспаренными электронами?



67.Распределите электроны атома серы по квантовым ячейкам. Сколько неспаренных электронов имеют ее атомы в нормальном и возбужденном состояниях? Чему равна валентность серы, обусловленная неспаренными электронами?

68.Что называют электрическим моментом диполя? Какая из молекул HCl, НВr, HI имеет наибольший момент диполя? Почему?

69.Какие кристаллические структуры называют ионными, атомными, молекулярными и металлическими? Кристаллы каких веществ: алмаз, хлорид натрия, диоксид углерода, цинк – имеют указанные структуры?

70.Как метод валентных связей (ВС) объясняет угловое строение молекул H2S и линейное молекулы CO2?

71.Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы Нe2 и молекулярного иона Нe+2 по методу молекулярных орбиталей. Как метод МО объясняет устойчивость иона Нe+2 и невозможность существования молекулы He2?

72.Какую химическую связь называют водородной? Между молекулами каких веществ она образуется? Почему Н2О и HF, имея меньшую молекулярную массу, плавятся и кипят при более высоких температурах, чем их аналоги?

73.Какую химическую связь называют ионной? Каков механизм ее образования? Какие свойства ионной связи отличают ее от ковалентной? Приведите два примера типичных ионных соединений. Напишите уравнения превращения соответствующих
ионов в нейтральные атомы.

74.Что следует понимать под степенью окисления атома? Определите степень окисления атома углерода и его валентность, обусловленную числом неспаренных электронов, в соединениях СН4, СН3ОН, НСООН, CO2.

75.Какие силы молекулярного взаимодействия называют ориентационными, индукционными и дисперсионными? Когда возникают эти сипы и какова их природа?

76.Нарисуйте энергетическую схему образовании молекулярного иона H2 и молекулы H2 по методу молекулярных орбиталей. Где энергия связи больше? Почему?

77.Какие электроны атома бора участвуют в образовании ковалентных связей? Как метод валентных связей (ВС) объясняет симметричную треугольную форму молекулы BF3?

78.Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы О2 по методу молекулярных орбиталей (МО). Как метод МО объясняет парамагнитные свойства молекулы кислорода?

79.Нарисуйте энергетическую схему образования молекул F2 по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

80.Нарисуйте энергетическую схему образования молекулы N2 по методу молекулярных орбиталей (МО). Сколько электронов находится на связывающих и разрыхляющих орбиталях? Чему равен порядок связи в этой молекуле?

Энергетика химических процессов
(термохимические расчеты)

При решении задач этого раздела см. табл. 5.

Науку о взаимных превращениях различных видов энергии называют термодинамикой. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного, течения различных процессов в данных условиях.

При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называют термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называют экзотермическими, а те, которые сопровождаются поглощением теплоты, – эндотермическими. Теплоты реакций являются, таким образом, мерой изменения свойств системы, и знание их может иметь большое значение при определении условий протекания тех или иных реакций.

При любом процессе соблюдается закон сохранения энергии как проявление более общего закона природы – закона сохранения материи. Теплота Q, поглощенная системой, идет на изменение ее внутренней энергии DU и на совершение работы A:

Q = DU + A

Внутренняя энергия системы U – это общий ее запас, включающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов, внутриядерную энергию и т.д. Внутренняя энергия – полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве, и без кинетической энергии системы как целого. Абсолютное значение внутренней энергии U-веществ неизвестно, так как нельзя привести систему в состояние, лишенное энергии. Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, является функцией состояния, т.е. ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода, по которому протекает процесс DU = U2U1, где DU – изменение внутренней энергии системы при переходе от начального состояния U1 в конечное U2. Если U2 > U1, то DU > 0. Если U2 < U1, то DU < 0.

Теплота и работа функциями состояния не являются, ибо они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. При химических реакциях А – это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении
А = pDV, где DV – изменение объема системы (V2V1). Так как большинство химических реакций проходит при постоянном давлении, то для изобарно-изотермического процесса (p-const, T-const) теплота

Qp = DU + pDV,

Qp =(U2 U1) + p(V2 V1);

Qp =(U2+ pV2) –(U1+ pV1).

Сумма U + pV обозначим через Н, тогда:

Qp = Н2Н1 = DН.

Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при p=const и T=const приобретает свойство функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в изобарно-изотермическом процессе Qр равна изменению энтальпии системы DН (если единственным видом работы является работа расширения):

Qp = DН.

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния; ее изменение (DН) определяется только начальными и конечными состояниями системы и не зависит от пути перехода. Нетрудно видеть, что теплота реакции в изохорно-изотермическом процессе (V=const; T=const), при котором DV =0, равна изменению внутренней энергии системы:

QV = DU.

Теплоты химических процессов, протекающих при p, T=const и V, T=const, называют тепловыми эффектами.

При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и DН < 0
(H2 < H1), апри эндотермических энтальпия системы увеличивается и DН > 0
(H2 > H1). В дальнейшем тепловые эффекты всюду выражаются через DН.

Термохимические расчеты основаны на законе Гесса (1840): 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 реакции (DHх.р) равен сумме теплот образования DHобр продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции

. (1)

Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий РОС13 и хлористый водород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указываются их агрегатные состояния или кристаллическая модификация, а также численное значение тепловых эффектов, называют термохимическими. В термохимических уравнениях, если это специально не оговорено, указываются значения тепловых эффектов при постоянном давлении Qp, равные изменению энтальпии системы DH. Значение DН приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой или точкой с запятой. Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния веществ: г – газообразное,. ж – жидкое, к – кристаллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно.

Если в результате реакции выделяется теплота, то DH < 0. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:


Таблица 5.

Стандартные теплоты (энтальпии)
образования DHо298 некоторых веществ

Вещество Состояние DHо298, кДж/моль Вещество Состояние DHо298, кДж/моль
С2H2 г +226,75 CO г -110,52
CS2 г +115,28 CH3OH г -201,17
NO г +90,37 C2H5OH г -235,31
C6H6 г +82,93 H2O г -241,83
C2H4 г +52,28 H2O ж -285,84
H2S г -20,15 NH4Cl к -315,39
NH3 г -46,19 CO2 г -393,51
CH4 г -74,85 Fe2O3 к -822,10
C2H6 г -84,67 Ca(OH)2 к -986,50
HCl г -92,31 Al2O3 к -1669,80

 

Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением

C2H6(г) + 3½O2 = 2 CO2(г) + 3H2O (ж); DHх.р = -1559,87 кДж

Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО2(г) и Н2О(ж) (табл. 5).

Решение. Теплотой образования (энтальпией) данного соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25оС (298 К) и 1,013×105 Па, и обозначают через DHо298. Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то здесь и в дальнейшем индексы опускаются, и тепловой эффект обозначается через DН. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:

2С (графит) + 3Н2(г) = С2Н6(г); DН = ?

исходя из следующих данных:

а) С2Н6(г) + 3 ½О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж); DН = -1559,87 кДж

б) С (графит) + О2(г) = СО2(г); DН = -393,51 кДж

в) Н2(г) + ½О2 = Н2О(ж); DН = -285,84 кДж

На основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (а) – на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):

С2Н6 = 3 ½О2 – 2С – 2О2 – 3Н2 – 3/2О2 = 2СО2 + 3Н2О – 2СО2 – 3Н2О

DН = -1559,87 – 2(-393,51) – 3(-285,84) = +84,67 к Дж;

DН = -1559,87 + 787,02 + 857,52; С2Н2 = 2С + 3Н2;

DН = +84,67 кДж

Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то = -84,67 кДж. К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:

Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю:

Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:

С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж); DН = ?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная (молярная) теплота парообразования С2Н5ОН(ж) равна +42,36 кДж и известны теплоты образования: С2Н5ОН(г); СО2(г); Н2О(ж) (см. табл. 5).

Решение. Для определения DН реакции необходимо знать теплоту образования С2Н5ОН(ж). Последнюю находим из данных:

С2Н5ОН(ж) = С2Н5ОН(г); DН = +42,36 кДж.

+42,36 = -235,31 – ;

= -235,31 – 42,36 = -277,67 кДж.

Вычисляем DН реакции, применяя следствия из закона Гесса:

DНх.р = 2(-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж.

Контрольные вопросы

81.Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fe2O3 металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа. Ответ: 2543,1 кДж.

82.Газообразный этиловый спирт С2Н5ОН можно получить при взаимодействии этилена С2Н4(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: -45,76 кДж.

83.Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

FeO(к) + СО(г) = Fe(к) + СО2(г); DН = -13,18 кДж.

СО(г) + ½О2(г) = СО2(г); DН = -283,0 кДж.

Н2(г) + ½О2(г) = Н2О(г); DН = -241,83 кДж.

Ответ: +27,99 кДж.

84.При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод СS2(г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: +65,43 кДж.

85.Напишите термохимическое уравнение реакции между СО(г) и водородом, в результате которой образуются СН4(г) и Н2О(г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 618,48 кДж.

86.Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования NO? Вычислите теплоту образования NO, исходя из следующих термохимических уравнений:

4NH3(г) + 5O2(г) = 4NO(г) + 6 H2O(ж); DН = -1168,80 кДж.

4NH3(г) + 3O2(г) = 2N2(г) + 6 H2O(ж); DН = 1530,28 кДж.

Ответ: 90,37 кДж.

87.Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия? Ответ: 78,97 кДж.

88.Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования метана? Вычислите теплоту образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:

Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(ж); DН = -285,84 кДж.

С(к) + О2(г) = СО2(г); DН = -393,51 кДж.

СН4(г) + 2О2(г) = 2Н2О(ж) + СО2(г); DН = -393,51 кДж.

Ответ: -74,88 кДж.

89.Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования гидроксида кальция? Вычислите теплоту образования гидроксида кальция, исходя из следующих термохимических уравнений:

Са(к) + 1/2О2(г) = СаО(к); DН = -635,60 кДж.

Н2(г) + 1/О2(г) = Н2О(ж); DН = -285,84 кДж.

СаО(к) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(к); DН = -65,06 кДж.

Ответ: -986,50 кДж.

90.Тепловой эффект какой реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и диоксида углерода равен -3135,58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования С6Н6(ж). Ответ: +49,03 кДж.

91.Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л (н.у.) ацетилена С2Н2, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды? Ответ: 924,88 кДж.

92.При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота. Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 44,8 л NO в пересчете на нормальные условия? Ответ: 452,37 кДж.

93.Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением:

СН3ОН(ж) + 3/2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(ж); DН = ?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования СН3ОН(ж) равна +37,4 кДж. Ответ: -726,62 кДж.

94.При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С2Н5ОН(ж). Ответ:
-277,67 кДж/моль.

95.Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением:

С6Н6(ж) + 71/2О2(г) = 6СО2(г) +ЗН2О(г); DН = ?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования бензола равна +33,9 кДж. Ответ: -3135,58 кДж.

95. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С2Н6(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м3 этана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 63742,86 кДж.

97. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4NH3(г) + 3O2(г) = 2N2(г) + 6Н20(ж); DН = -1530,28 кДж.

Вычислите теплоту образования NH3(г). Ответ: -46,19 кДж/моль.

98.При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS. Ответ: -100,26 кДж/моль.

99.При сгорании 1 л ацетилена (н.у.) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С2Н2 (г). Ответ: 226,75 кДж/моль.

100. При получении эквивалентной массы гидроксида кальция из СаО(к) и Н2О(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция. Ответ: -635,6 кДж.

Химическое сродство

При решении задач этого раздела см. табл. 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 И, 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, при 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 является функцией состояния, т.е. ее изменение (DS) зависит только от начального (S1) и конечного (S2) состояния и не зависит от пути процесса:

(2)

Так как энтропия растет с повышением 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 (TS). При р = const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают DG, можно найти из соотношения:

DG = (Н2Н1) – (TS2TS1); DG = DНТDS.

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

(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 DН = ТDS.

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

Таблица 6.

Стандартная энергия Гиббса образования
DGо298 некоторых веществ

Вещество Состояние DGо298, кДж/моль Вещество Состояние DGо298, кДж/моль
BaCO3 к -1138,8 FeO к -244,3
CaCO3 к -1128,75 H2O ж -237,19
Fe3O4 к -1014,2 H2O г -228,59
BeCO3 к -944,75 PbO2 к -219,0
СаО к -604,2 CO г -137,27
ВеО к -581,61 CH4 г -50,79
ВаО к -528,4 NO2 г +51,79
СО2 г -394,38 NO г +86,69
NaCl к -384,03 C2H2 г +209,20
ZnO к -318,2      

 

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. 8 кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядочение 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 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) 2СО(г) + 2Н2(г)

Решение. Для ответа на вопрос следует вычислить DGо298 прямой реакции. Значения DGо298 соответствующих веществ приведены в табл. 6. Зная, что DG есть функция состояния и что DG для простых веществ, находящихся в устойчивых при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим DGо298 процесса:

DGо298 = 2(-137,27) + 2(0) – (-50,79 – 394,38) = +170,63 кДж.

То, что DGо298 > 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).

Таблица 7.

Стандартные абсолютные энтропии Sо298 некоторых веществ

Вещество Состояние Sо298, Дж/(моль×К) Вещество Состояние Sо298, Дж/(моль×К)
С Алмаз 2,44 H2O г 188,72
С Графит 5,69 N2 г 191,49
Fe к 27,2 NH3 г 162,50
Ti к 30,7 CO 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
NY4Cl к 94,5 C2H4 г 219,45
CH3OH ж 126,8 Cl2 г 222,95
H2 г 130,59 NO2 г 240,46
Fe3O4 к 146,4 PCl3 г 311,66
CH4 г 186,19 PCl5 г 352,71
HCl г 186,68      

 

Пример 3. На основании стандартных теплот образования (табл. 5) и абсолютных стандартных энтропий веществ (табл. 7) вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:

СО(г) + Н2О(ж) = СО2(г) + Н2(г)

Решение. DGo = DHoTDSo; DH и DS – функции состояния, поэтому:

Пример 4. Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению:

Fe2O3(к) + 3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О(г); DН = +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 DGo реакции:

DG = DHTDS = 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 реакции восстановления Fe2O3. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

Пример 5. Вычислите DНo, DSo и DGoT реакции, протекающей по уравнению:

Fe2O3(к) + 3С = 2Fe + 3СО

Возможна ли реакция восстановления Fe2O3 углеродом при температурах 500 и 1000 К?

Решение. DНoх.р и DSoх.р находим из соотношений (1) и (2) так же, как в примере 3:

DНoх.р = [3(-110,52)+2×0] – [-822,10+3×0] = -331,56+882,10 = 490,54 кДж;

DSoх.р = (2×27,2 + 3×197,91) – (89,96 + 3×5,69) = 541,1 Дж/К.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения DGoT = DНoТDS:

Так как DG500 > 0, а DG1000 < 0, то восстановление Fe2О3 углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

Контрольные вопросы

101. Вычислите DGо298 для следующих реакций:

а) 2NaF(к) + Cl2(г) = 2NaCl(к) + F2(г)

б) PbO2(к) + 2Zn(к) = Pb(к) + 2ZnO(к)

Можно ли получить фтор по реакции (а) и восстановить PbO2 цинком по реакции (б)? Ответ: +313,94 кДж; -417,4 кДж.

102. При какой температуре наступит равновесие системы:

4НСl(г) + О2 (г) 2О(г) + 2С12(г); DH = -114,42 кДж?

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

103. Восстановление Fe3O4 оксидом углерода идет по уравнению:

Fe3О4(к) + СО(г) = 3FeO(к) + СО2(г)

Вычислите DGо298 и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно DSо298 в этом процессе? Ответ: +24,19 кДж; +31,34 Дж/ (моль • К).

104. Реакция горения ацетилена идет по уравнению:

С2Н2(г)+ 5/202(г) = 2С02(г) + Н2О(ж)

Вычислите DGо298 и DSо298. Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции. Ответ: -1235,15 кДж; -216,15 Дж/ (моль • К).

105. Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? вычислите DSо298 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).

106. 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 DGо298 этой реакции. Ответ: +19,91 кДж.

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

2NO(г) + O2 (г) 2NO2(г)

Ответ мотивируйте, вычислив DGо298 прямой реакции. Ответ: -69,70 кДж.

108. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ, вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:

NH3(г) + HCl(г) = NH4Cl(к)

Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно? Ответ: -92,08 кДж.

109. При какой температуре наступит равновесие системы:

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

Ответ: »385,5 К.

110. При какой температуре наступит равновесие системы:

СН4(г) + СО2(г) = 2СО(г) + 2Н2(г); DН = +247,37 кДж?

Ответ: »961,9 К.

111. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:

4NН3(г) + 5О2(г) = 4NО(г) + 6Н2О(г)

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

112. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:

СО2(г) + 4Н2(г) = СН4(г) + 2Н2О(ж)

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

113. Вычислите DНo, DSoи DGoT реакции, протекающей по уравнению:

Fe2O3(к) + ЗН2(г) =






Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...

Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...



© cyberpedia.su 2017 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав

0.128 с.