3. Сущность первого закона термодинамики, его математическое выражение и применение к различным процессам;
4. Причины возникновения тепловых эффектов, сущность закона Гесса и следствий из него, тепловые эффекты различных процессов;
5. Сущность и математические выражения второго закона термодинамики;
6. Сущность энтропии и ее статистическую природу;
7. Критерии самопроизвольного протекания процессов в различных системах;
8. Уравнение изотермы химической реакции и возможность его использования;
9. Уравнение изобары химической реакции и его применение.
Уметь рассчитывать:
1. Тепловые эффекты реакций при стандартных условиях;
2. Изменение энтропии в результате химической реакции;
3. Изменение свободной энергии Гиббса при заданной температуре;
4. Константу химического равновесия при заданной температуре.
Состояние системы характеризуется ее физическими и химическими свойствами (объем, давление, температура, химический состав и т.д.). Свойства, выбранные в качестве независимых переменных, называются параметрами состояния. Величина, определяемая этими параметрами, однозначно характеризующая систему и независящая от пути ее перехода из одного состояния в другое, называется функцией состояния.
Термодинамическими функциями состояния являются:
внутренняя энергия U характеризует общий запас энергии в системе, исключая кинетическую энергию системы как целого и ее потенциальную энергию в поле внешних сил ΔU = Uкон – Uисх > 0 внутренняя энергия системы возрастает;
энтальпия Н характеризует общее теплосодержание системы или тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении
энтропия S характеризует степень беспорядочности частиц в системе
ΔS > 0 степень беспорядка возрастает;
ΔS < 0 cтепень беспорядка уменьшается;
свободная энергия Гиббса G или изобарно-изотермический потенциал характеризует часть энергии, идущую на совершение полезной работы при постоянных давлении и температуре
ΔG > 0 энергия поглощается, эндоэргоническая реакция;
ΔG < 0 энергия выделяется, экзоэргоническая реакция;
свободная энергия Гельмгольца F или изохорно-изотермический потенциал характеризует часть энергии, идущую на совершение полезной работы при постоянных объеме и температуре.
Δ F > 0 энергия поглощается, Δ F < 0 энергия выделяется.
В соответствии с законом Гесса:
ΔG реакции = Σ(νΔG)продуктов – Σ(νΔG)исходных веществ
ΔH реакции = Σ(νΔH)продуктов – Σ(νΔH)исходных веществ
ΔS реакции = Σ(νS)продуктов – Σ(ν S)исходных веществ.
Объединенный термодинамический закон
ΔG реакции = ΔH реакции - T ΔS реакции.
Если пренебречь зависимостями ΔH0 и ΔS0 от температуры, то для термодинамических расчетов применяют уравнение ΔG= ΔH- TΔS.
Если ΔG < 0, то такой процесс термодинамически возможен. Чем более отрицательно ΔG, тем в большей степени реакция протекает в направлении образования продуктов реакции.
Если ΔG > 0, то процесс приводит к увеличению энергии Гиббса и такая реакция термодинамически невозможна.
Если ΔG = 0, то начальные условия в системе соответствуют равновесию.
Критериями самопроизвольного протекания процессов являются
1. в изолированной системе ΔS > 0;
2. в закрытой и открытой системах ΔG < 0 (для изобарно-изотермических процессов);
3. в закрытой и открытой системах ΔF < 0 ( для изохорно-изотермических процессов).
Пример 1.Сколько теплоты выделится при сжигании 920 г этанола? Запишите термохимическое уравнение данной реакции.
Решение: Процесс горения этанола можно представить следующим уравнением C2H5OH (ж) + 3O2 (г) = 2CO2 (г) + 3H2O(г). По первому следствию из закона Гесса ΔHреакции =2ΔHCO+ 3ΔHHO - ΔHСHOH - 3ΔHO.
Используя справочные данные, находим тепловой эффект горения 1 моль этанола C2H5OH.
Следовательно, количество теплоты, выделяющееся при сжигании 20 моль этанола, будет равно Q p = - ΔHреакцииn (C2H5OH) = 1366,8∙20 = 27336 кДж = 27,34 МДж. Термохимическое уравнение можно записать следующим образом C2H5OH (ж) + 3O2 (г) = 2CO2 (г) + 3H2O(г), ΔHреакции = -1366,8 кДж.
Ответ: выделится 27,34 МДж тепла.
Пример 2.С помощью термодинамических расчетов на примере реакций
SnO2 (к) + Sn (к) = 2SnO(к) и PbO2(к) + Pb(к) = 2PbO(к) ответьте на вопрос об устойчивых степенях окисления олова и свинца в закрытой системе при температуре 300 К.
Решение:Рассчитаем ΔGпервой и второй реакции по уравнению ΔG= ΔH- TΔS.
Степень беспорядка в системе возрастает, данная реакция будет протекать самопроизвольно в изолированной системе при стандартных условиях.
ΔG= 9 кДж – 300 К∙ 0,0091 кДж/К = 6,27 кДж > 0 – энергия поглощается в ходе реакции; в закрытых и открытых системах термодинамически возможна обратная реакция, т.е. в указанных условиях более устойчив оксид олова (IV) SnO2.
Для второй реакции расчеты проводятся по такой же схеме:
ΔSреакции =2∙66 – 72 – 65 = - 5 Дж/К = - 0,005 кДж/К – степень беспорядка в системе уменьшается, в изолированной системе данная реакция самопроизвольно протекать не будет.
ΔG= - 161 кДж – 300К(-0,005кДж/К) = - 159,5 кДж < 0 – энергия выделяется, в закрытых и открытых системах термодинамически возможен прямой процесс, т.е. в указанных условиях более устойчив оксид свинца (II) PbO.
Ответ: в указанных условиях устойчивой степенью окисления для олова является степень окисления +4, для свинца – +2.
Пример 3. Константы равновесия Креакции 2SO2 (г) + O2 (г) = 2SO3 (г) при 727 и 9270С равны соответственно 3,34 и 0,079. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса ΔGи определите направление самопроизвольного протекания реакции при указанных температурах, а также средний тепловой эффект (стандартную энтальпию) процесса в приведенном температурном интервале.
Решение:В абсолютной шкале температуры 727 и 9270С соответственно равны 1000 и 1200 К. Величину ΔGрассчитаем по стандартному уравнению ”изотермы” химической реакции ΔG= - RT ln К;
Таким образом, при 1000 К реакция протекает в прямом направлении (ΔG< 0), при 1200 К – в обратном направлении (ΔG> 0).
Величину ΔHопределим по уравнению изобары Вант Гоффа в интегральном виде ln= (− ). Выражаем из уравнения ΔH= = = - 186779,6 Дж/моль = - 186,8 кДж/моль.
Для удобства расчетов обычно принимают Т2 > Т1.
Ответ:ΔG= - 10 кДж/моль – в прямом направлении протекает реакция, ΔG= 25,3 кДж/моль – в обратном направлении протекает реакция, реакция экзотермическая ΔH= - 186,8 кДж/моль.
Пример 4. Рассчитать энергию Гиббса химической реакции синтеза аммиака
N2 (г) + H2 (г) = NH3 (г) при 298К и относительных парциальных давлениях РН= 100, РN= 100 и PNH=1. ΔGNH= - 16,66 кДж/моль.
Решение:Используем уравнение “изотермы” химической реакции в нестандартных условиях ΔG298 = ΔG+ RT ln
ΔG298 < 0, реакция идет самопроизвольно в прямом направлении в указанных условиях.
Ответ: ΔG298 = - 39,452 кДж/моль
Контрольные вопросы:
1. Какие из следующих термодинамических функций относятся к функциям состояния: теплота, энтропия, свободная энергия Гиббса, работа расширения газа, энтальпия, изохорно-изотермический потенциал?
2. Какой смысл имеют знаки ’’плюс” или ”минус” перед термодинамическими функциями: теплотой, энтальпией, свободной энергией Гиббса?
3. Какие выводы можно сделать о конкретной химической реакции, если изменение следующих термодинамических функций отрицательно: а) энтальпии; б) энтропии; в) свободной энергии Гиббса?
4. В каком случае для оценки теплового эффекта реакции используется: а) первое следствие закона Гесса; б) второе следствие закона Гесса?
5. Как связаны между собой тепловой эффект и изменение энтальпии процесса? Укажите знак ΔH для экзо- и эндотермической реакции.
6. Подтвердите физический смысл энтропии математическими формулами и примерами.
7. Каким образом производят расчет свободной энергии Гиббса: а) по величинам свободных энергий образования веществ; б) по энтальпийному и энтропийному факторам; в) по величине электродвижущей силы процесса; г) по константе химического равновесия при заданной температуре?
8. Почему введены три критерия направления самопроизвольных процессов ΔS, ΔG, ΔF?
Задания для самостоятельного решения:
Для предложенной реакции ответьте на следующие вопросы:
1) экзо- или эндотермической является данная реакция; определите тепловой эффект образования 1 кг любого из продуктов реакции;
2) как меняется степень беспорядка в ходе реакции;
3) возможна ли данная реакция в изолированной системе при стандартных условиях;
4) возможна ли данная реакция в открытой системе при 250С и 1000 К. При какой температуре выделяется больше энергии;
5) какой фактор (энтропийный или энтальпийный) способствует протеканию процесса;
6) запишите выражения кинетической и термодинамической Кравновесия, покажите взаимосвязь между ними;
7) рассчитайте числовое значение Кравновесия при температуре 250С и 1000 К. При какой температуре полнота протекания реакции выше;
8) укажите оптимальные условия протекания реакции, используя принцип Ле Шателье (условия, при которых равновесие смещается в прямом направлении).
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Элементы химической термодинамики
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Учебно-методического комплекса дисциплины
«Химия»
Учебно-методический комплекс дисциплины «Химия» разработан для студентов 1 курса по специальности 180100.62 – «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объе
Annotation
The given Chemistry Courseware is worked out specially for first year students, whose branch of study is construction, university discipline number 180100.62 «Shipbuilding, ocean engineering and sy
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ
Согласовано
«УТВЕРЖДАЮ»
Инженерная школа ДВФУ
Заведующий кафедрой
общей, неорганической
и элементоорганической химии
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «10_____» ____09_____________ 2012 г. № ___1___
Заведующий кафедрой __________
Цели освоения дисциплины
Требования к образованию бакалавров включают определенный минимум знаний в области химии. Данный курс предназначен для подготовки дипломированных бакалавров и ставит своей целью помочь будущим бака
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Необходимо отметить, что темпы развития современной науки, и химии в том числе, исключительно высоки: каждые десять лет общий объем научной информации возрастает в три – четыре раза. При этом основ
Начальные требования к освоению дисциплины
Дисциплина «Химия» изучается на базе курса химии средней школы. В связи с этим для освоения курса студент должен знать:
1. Символику химических элементов и устройство периодической системы
Фактический уровень
В результате теоретического изучения дисциплины студент должен знать:
1. Химическую терминологию при описании химических систем;
2. Классификацию элементов, простых и сложных веще
Операционный уровень
В результате практического изучения дисциплины студент должен уметь:
1. Логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь (ОК-2);
2. Уметь записывать уравне
Аналитический уровень
1. Выделять и формулировать химическую проблему или ее аспекты в процессе решения конкретной научно-технической задачи (ОК-10);
2. Интерпретировать полученные результаты термодинамических
Строение вещества
Атомно-молекулярная теория. Основные определения. Моль. Законы стехиометрии. Язык химии.
Строение атома. Ядро и электроны. Атомный номер элемента. Изотопы. Волновые свойства электрона. Ква
Жидкие системы – растворы
Жидкие системы. Область жидкого состояния. Жидкие растворы. Растворение и растворимость. Общие свойства растворов неэлектролитов. Законы Рауля и Вант-Гоффа. Особенности химических реакций в жидких
Окислительно-восстановительные процессы
Окислители и восстановители. Уравнения реакций окисления-восстановления. Направление реакций. Сила окислителей и восстановителей. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы.
Эле
Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по данному направлению подготовки реализация компетентного подхода предусматривает использование активных и интерактивных форм проведения заня
Перечень типовых экзаменационных вопросов
1. Характеристика свойств элемента и его соединений по электронной формуле и по положению в периодической системе элементов.
2. Строение и свойства молекул по типу химических связей.
Рейтинговая оценка по дисциплине
Распределение баллов по видам учебных работ
Таблица 4
№ п/п
Виды учебной деятельности студента, учитываемые в рейтинговой оценке
Оц
Тема 2. Химическая связь
Цели и задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Понятие молекулы и иона;
2. Основные положения теории химического строения А.М. Бутл
Тема 1. Межмолекулярное взаимодействие
Цели и задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Понятие межмолекулярного взаимодействия и его особенности;
2. Виды межмолекулярных взаим
Тема 2. Агрегатные состояния вещества
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Понятия твердого, жидкого, газообразного и плазменного, конденсированного, кристаллического и амор
Тема 1. I и II закон термодинамики
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Термодинамическое описание системы. Классификация систем и термодинамические параметры системы;
Тема 1. Физико-химические свойства растворов
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Основные понятия, используемые для описания водных растворов: компонент, фаза, раствор, растворите
Тема 2. Растворы электролитов
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Электролиты сильные и слабые, кислоты, основания, соли, Изотонический коэффициент;
2. Сам
Тема 1. Коллоидные растворы
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Коллоидное состояние вещества и основные условия возникновения такого состояния;
2. Класс
Тема 1. Окислительно–восстановительные реакции
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Понятие эффективного заряда атома в молекуле. Окислители и восстановители. Окислительно–восстанови
Тема 2. Электролиз
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Электролиз, как окислительно-восстановительный процесс;
2. Катод и анод, их поляризация о
Тема 3. Коррозия и защита металлов
Цели, задач:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Определение процесса коррозии;
2. Виды коррозионных разрушений;
3. Типы коррозион
Тема 1. Полимерные материалы
Цели, задачи:
На фактическом уровне получения знаний:
1. Классификация и номенклатура высокомолекулярных соединений;
2. Методы получения полимеров
Определение молярной массы эквивалента металла
Цель работы: познакомиться с газометрическим методом изучения химических реакций на примере определения молярной массы эквивалента металла.
Рекомендации
Методика выполнения опыта
В небольшую пробирку налейте 5 мл разбавленного раствора соляной кислоты при помощи пипетки так, чтобы не смочить кислотой стенки пробирки. Пробирку с кислотой осторожно наклоните и положите навеск
Расчёты и обсуждение результатов
Расчёт Мэ(Ме) можно выполнить двумя способами.
Первый способ:
1. Применив уравнение состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева
Комплексные соединения
Цель работы:познакомиться со строением и свойствами комплексных соединений.
Рекомендации:при подготовке к работе повторите химические связи и меха
Опыт 1. Получение комплексных соединений
В две пробирки, согласно варианту работы, налейте по две – три капли вещества, в состав которого входит комплексообразователъ. Затем по каплям добавьте второе вещество до образования осадка и его р
Опыт 2. Разрушение комплексных ионов
К полученному в опыте 2 комплексному соединению (отмечено звездочкой) добавьте реактив (согласно варианту) до изменения окраски.
Таблица 2.2
Данные к опыту 2
Опыт 3. Участие комплексных ионов в реакциях обмена
В пробирку, согласно варианту, внесите две-три капли средней соли. Затем по каплям добавьте комплексного соединения до появления осадка.
Таблица 2.3
Данные к опыту
Опыт 4. Диссоциация комплексных и двойных солей
Возьмите две пробирки. Проведите качественные реакции на наличие и отсутствие в свободном виде в растворе исследуемого вещества центрального иона. Для этого внесите в пробирку по две – три капли ис
Методика проведения опыта
Тепловой эффект реакции нейтрализации определяется в простейшем калориметре. Объемы исходных веществ приведены в табл.1 согласно варианту.
Таблица 3.1
Объемы исходных веществ
Обработка результатов эксперимента
1. Определите изменение температуры раствора ∆T =Тк – Тн.
2. Рассчитайте количество теплоты Q(Дж), выделившейся в ходе реакции:
Q =(mкис + m
Химическая кинетика
Цель работы: исследование зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ и температуры.
Рекомендации: познакомьтесь с
Опыт 2. Зависимость скорости реакции от температуры
Исследуется полуэмпирическое правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса, графическое решение которого позволяет определить энергию активации реакции.
Методика выполнения опыта
Гидролиз солей
Цель работы:изучение процесса гидролиза солей разного типа, установление количественных характеристик процесса гидролиза, изучение влияния различных факторов на
Опыт 2. Влияние различных факторов на степень гидролиза
Опыт 2.1. Влияние разбавления на степень гидролиза
В сухую пробирку внесите с помощью пипетки 10-15 капель насыщенного раствора ацетата натрия и 1 каплю раствора фенолфталеина. Отме
Коллоидные растворы
Цель работы: получить конденсационным методом ряд коллоидных растворов, определить знак коллоидных частиц, провести их коагуляцию.
Краткие теоретические осн
Опыт 2. Получение золя гидроксида железа
Нагрейте в колбочке около 30 мл дистиллированной воды до кипения и прибавьте в кипящую воду по каплям концентрированный раствор хлорида железа (III) до получения раствора устойчивого темно-красного
Опыт 4. Коагуляция золей от действия электролитов
а) в три пробирки налейте одинаковое количество полученного во втором опыте золя гидроксида железа (III) и прилейте в первую пробирку несколько капель раствора хлорида натрия, во вторую – фосфата н
Электрохимические процессы
Цель работы: познакомиться с процессами взаимного превращения химической и электрической энергий.
Рекомендации:повторите теорию ок
Опыт 1. Медно - цинковый гальванический элемент
В два микростакана налить 1М растворы: в первый – раствор ZnSO4 и туда же опустить зачищенный цинковый электрод, во второй – раствор CuSO4 с опущенным в него зачищенным медным
Коррозия металлов
Цель работы: изучение важнейших процессов, протекающих при коррозии металлов.
Контрольные вопросы:
1. Каковы
Общие свойства металлов
Цель работы: изучить химические свойства металлов – важнейших конструкционных материалов. Оценить химическую устойчивость металлов в различных агрессивных среда
Опыт 3. Действие щелочей на металлы
Испытайте действие щелочей на следующие металлы: алюминий, цинк и медь. Для этого в отдельные пробирки поместите по кусочку названных металлов и прилейте в каждую немного концентрированного раствор
Основы атомно-молекулярного учения
При рассмотрении этой темы основное внимание уделить разделам:
1. Газовые законы;
2. Закон эквивалентов.
Усвоить основные
Закон эквивалентов
Эквивалент fХ - некая реальная или условная частица вещества Х, которая м
Химическая кинетика
Выучитьпонятия:
1. скорость химической реакции: истинная и средняя
2. константа скорости химической реакции
3. порядок и молекулярность реакции
Способы выражения состава растворов
Растворами называют гомогенные системы, состоящие из двух и более компонентов. Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть
Равновесия в растворах электролитов
Электролитами называют вещества, расплавы и растворы которых проводят электрический ток. Неэлектролиты электрический ток не проводят. Электролиты делят на две большие группы: cильны
Коллигативные свойства растворов
Свойства растворов, которые не зависят от природы растворенных частиц, а зависят только от их концентрации, называются коллигативными.
Основной закон, определяющий
Модуль 5. Основы электрохимии
Выучить следующие понятия:
1. окислитель, восстановитель, окисление, восстановление;
2. катод, анод;
3. электродный потенциал;
4. ЭДС
Коррозия металлов
Коррозиейназывают процесс самопроизвольного окисления металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой (ΔG < 0). По механизму протекания р
I. Атомно-молекулярное учение
1. Для газов нормальными условиями считаются:
а) 101,3 кПа, 273 К; б) 1 кПа, 00 С; в) 100 Па, 250 С.
2. Значение универсальной газовой постоянной R в междуна
III. Химическая связь
1. Связь, осуществляемая благодаря образованию общих электронных пар, называется:
а) ковалентной; б) ионной; в) водородной.
2. Связь, обусловленная электростатическим притяжением
IV. Химическая термодинамика
1. Тепловой эффект реакции Fe2O3(к) + 3С(к) = 2Fe(к) + 3СО(г) можно рассчитать используя стандартные энтальпии образования по уравнению:
V. Химическая кинетика и равновесие
1. Во сколько раз следует увеличить давление, чтобы начальная скорость образования NO2 по реакции: 2NO(г) + О2(г) → 2NO2(г) возросла в 8 раз?
VI. Растворы неэлектролитов
1. Какую массу метанола (СН3ОН) должен содержать раствор с концентрацией 0,1 моль/л, если объем раствора составляет 0,5 литра:
а) 1,6 г; б) 32 г; в) 3,2 г.
2. Какую мас
VII. Растворы электролитов
1. Чему равна концентрация ионов калия в 0,1 М растворе сульфита калия, если степень диссоциации соли равна 0,75?
а) 0,15 М; б) 1,5 М; в) 0,75 М.
2. Какова концентрация ионов водо
А) Cs+ и NO3–; б) К+ и S2-; в) Ca2+ и Cl-.
4. С каким из веществ вступит в реакцию обмена в водном растворе бромид бария?
а) CuSO4; б) HNO3; в) LiOH.
5. Какие ионы могут одновременно находиться в водн
IX. Дисперсные системы и поверхностные явления
1. Дисперсными системами являются системы…
а) гетерогенные; б) гомогенные; в) однофазные.
2. Дисперсность системы характеризует…
а) меру раздробленности дисперсной фазы;
XI. Электрохимические процессы
1. Гальваническим элементом называется устройство, в котором:
а) происходит преобразование химической энергии окислительно-восстановительного процесса в электрическую энергию; б) происходи
XII. Коррозия
1. Укажите механизм коррозионного процесса бронзовых деталей (сплав медь-олово) в воде:
а) электрохимическая; б) химическая; в) биохимическая.
2. Какой вид коррозии стали вызывает
Перечень типовых экзаменационных вопросов
1. Характеристика свойств элемента и его соединений по электронной формуле и по положению в периодической системе элементов.
2. Строение и свойства молекул по типу химических связей.
Новости и инфо для студентов