Химика-термодинамикалық есептеулер


Химиялық процестердің өздігінен жүру мүмкіндігі екі фактормен анықталады: экзотермиялық реакция әсерінен жүйенің ішкі энергияны азайтуға ұмтылуымен (-Н) және жылу қозғалысы әсерінен (энтропия – күй функциясының бірлігі) бөлшектер орналасуының ретсіздігінің өсуіне жүйенің ұмтылуымен.

Егер Н температураға аз ғана тәуелді болса, ал энтропия температура өссе, қатты өседі, сондықтан ретсіздіктің өлшемі деп ТS алуға болады. Сонда процестің қозғаушы күші екі күштен тұрады: реттілікке ұмтылу (Н) және ретсіздікке ұмтылу (ТS). p = const, T = const болғанда процестің жалпы қозғаушы күші G = H - TS; G – Гиббс энергиясы не изобара-изотермиялық потенциал, энтальпиялық және энтропиялық факторлар әсерін біріктіреді.

Жүйе күйін көлем тұрақты болғанда Гельмгольц энергиясы деп аталатын функция анықтайды: F = U – TS.

Гиббс энергиясының өзгерісі процестің өздігінен жүру-жүрмеу мүмкіндігін анықтайды: G < 0, процесс термодинамикалық мүмкін; G > 0, процесс термодинамикалық мүмкін емес; G = 0, реакциялық жүйе тепе- теңдік күйде.

Гиббс энергиясы да, энтропия да жүйе күйінің функциясы:

S х.р = S°түз. - S°түс.; Gх.р = G°түз. - G°түс.

Сонымен, G мәні аз болған сайын осы процестің өздігінен жүруге ұмтылуы көбірек болады, тепе-теңдік күйден алысырақ болады. Мына қатынастан G = H – TS: a) эндотермиялық реакция (Н > 0) өздігінен жүреді, егер S > 0 және абсолюттік мәндері | ТS| >|H|, G < 0; б) экзотермиялық реакциялар (Н < 0) өздігінен жүреді, егер S > 0, ал егер S < 0 болса – жүрмейді, себебі G > 0 болады.

Химиялық тепе-теңдік кезінде жүйеде Гиббс энергиясының өзгерісі болмайды, яғни G = 0, оның мәнімен химиялық реакция тепе-теңдігінің константасы мына теңдеумен байланысады: G°T = - 2,3 RT lg KT, 298 К (25°С) бұл теңдеу G°298 = - 5,69lg K298 . G° < 0 болу үшін lg K > 0, яғни К > 1, ал Гиббс энергиясы оң болса, lg K < 0, яғни К < 1. Бұл жағдай Гиббс энергиясы теріс болса, тепе-теңдік тура реакция жағына ығысқан, яғни реакция өнімі жоғары; оң болса, тепе-теңдік кері реакция жағына ығысқан, яғни тура реакция өнімі аз болатынын көрсетеді.

Өзін-өзі тексеруге арналған сұрақтар

1. Термохимияның негізгі заңы;

2. Гиббс энергиясы және химиялық реакциялар бағыты;

3. Гомогенді және гетерогенді жүйелер;

4. Термодинамиканың 1-ші және 2-ші бастамаларын түсіндіру;

5. H және S таңбалары белгілі болса, температураны көтергенде G мәні қалай өзгереді?

Практикалық сабақта және білім алушының оқытушы басшылығымен орындайтын (БОӨЖ) есептер мен жаттығулар

1. Реакциялардың жылу эффектілері деген не? Қай жағдайларда химиялық реакциялар теңдеулері термохимиялық деп аталады? Реакция жылу эффектілерінің мәндері термохимиялық және термодинамикалық өрнектелгенде қалай белгіленеді? Өлшем бірліктері.

2. Жүйенің ішкі энергиясы деген не? Энтальпия және оның өзгерісі қандай теңдеулермен анықталады? Қандай жағдайда жүйенің энтальпиясы оң және теріс мән көрсетеді? Энтальпия өзгерісі температураға тәуелді ме?

3. Термохимияның негізгі заңының анықтамасын беру керек. Гесс заңынан шығатын салдарлардың термохимиялық есептеулерде қолданылуы.

4. Аммиак синтезі кезінде тура және кері реакциялар үшін жүйе энтропиясы қалай өзгереді?

5. Заттар айрылғанда, синтез реакцияларында жүйе энтропиясы температураға байланысты қалай өзгереді? Буланғанда, конденсацияланғанда, қысым жоғарылағанда, фазалық өзгерістерде жүйе энтропиясы қалай өзгереді?

6. Гиббс энергиясы деп нені айтады? Процестердің өздігінен термодинамикалық жүру-жүрмеу жағдайын Гиббс энергиясы қалай көрсетеді? Өте төмен температурада (өте жоғары температурада) химиялық реакциялардың бағытын энтальпиялық не энтропиялық фактор анықтай ма?

7. Стандартты энтальпия өзгерісінің мәні жүйеде катализатор қатысына байланысты ма? Жауапты дәлелдеу керек. Заттардың суда еруі экзотермиялық және эндотермиялық эффектпен болса да өздігінен жүре алады, неге?

8. Аммоний хлориді термиялық айрылғанда жылу бөліне ме, сіңіріле ме? Есептеп көрсету керек.

9. 20°С температурада 100г су буланғанда (су буы идеал газдар заңына бағынады деп есептесе) ішкі энергия өзгерісі нешеге тең болады? Судың буға айналуының меншікті жылуы q = 2445Дж/г (Q = qm, pV = m/MRT).

Жауабы: 230,97кДж.

10. Стандартты жағдайда мына процесс Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2 O(с) жүруі мүмкін бе?

11. Графитті жаққанда 8,86 г көміртегі (ІV) оксиді түзілген. Элементтерден түзілген оксидтің түзілу жылуын есептеу керек. Реакцияның жылу эффектісі -79,2 кДж. Жауабы: - 1096кДж/моль.

12. 12,7г мыс(ІІ) оксидін көмірмен тотықсыздандырғанда (СО түзіледі) 8,24 кДж жылу жұтылады. Мыс оксидінің (298К) түзілу жылуын анықтау керек. Жауабы: -162,1кДж/моль.

13. Этилен толық жанғанда (сұйық су түзіледі) 6226кДж бөлінеді. Қ.ж. реакцияға түскен оттегінің көлемін есептеу керек. Жауабы: 296,5л.

14. 2,1г темір күкіртпен әрекеттескенде 3,77кДж бөлінеді. Темір сульфидінің түзілу жылуын анықтау керек. Жауабы: -100,3кДж/моль.

15. Мына теңдеу бойынша 2РН3 + 4О2 = Р2О5 + 3Н2 О(с) фосфин газының түзілу жылуын анықтау керек. Реакция кезінде -2360кДж бөлінеді.

Жауабы: 5,3кДж/моль.

16. Этилен жанғанда СО2 және сұйық су бөлінсе, реакция нәтижесінде бөлінген жылу эффектісін есептеу керек. Жауабы: -1410,9кДж/моль.

17. Егер аммиактің тотығуы мына термохимиялық теңдеу бойынша жүрсе 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O(с) Н° = -1530кДж (298К), аммиактің стандартты түзілу жылуын табу керек. Жауабы: -46,2кДж/моль.

18. 1моль хром (Ш) оксидін алюминиймен тотықсыздандырғанда 534кДж бөлінеді. Егер 7,6г хром(Ш) оксиді тотықсызданса, қанша жылу бөлінеді? Жауабы: 26,7кДж.

19. Кальций карбонатының айрылу реакциясының 25, 500, 1500°С температуралардағы Гиббс энергиясын есептеу керек. G° = f (T) графигін сызып, қай температурадан бастап процесс өздігінен жүретінің анықтау керек. Жауабы: 129,1 ; 50,7 ; - 114,0кДж; » 1080К.

20. Глюкозаның ағзадағы өзгеру реакциялары былай жүрсе:

а) С6Н12О6 = 2С2Н5ОН (с) + 2СО2. б) С6Н12О6 + О2 = 6СО2 + 6Н2О(с) қай процесс ағзаға энергияны көбірек береді? Жауабы: а) – 69,2 кДж; б) – 2803кДж.

21. Бірдей жағдайда сутегі мен ацетиленнің бірдей көлемін жаққанда, қай процесте және неше есе көп энергия бөлінеді? Жауабы: 6,2 есе.

22. Ізбестің сөндіру процесінде 67,0кДж энергия бөлінеді, егер 1тонна 20% қоспасы бар ізбесті сөндірсе (қоспаның жылу эффектісіне әсері жоқ), қанша жылу бөлінеді? Жауабы: 9,6×105 кДж.

23. 298К температурада мына оксидтердің қайсысы алюминиймен (сутегімен) тотықсызданады: СаО, ҒеО, ZnO, PbO, SnO, CuO, NiO?

24. 263К температурада мұздың еру процесі үшін Гиббс энергиясының белгісі қандай болады (нольден үлкен, кіші, тең)?

25. Кальций оксиді мен фосфор(V) оксиді әрекеттескенде 739кДж жылу бөлінеді, сонда кальций ортофосфатының түзілу жылуы қанша болады? Жауабы: - 4137,5кДж/моль.

26. Мына теңдеу бойынша жүретін реакция үшін стандартты түзілу жылуы және абсолютті стандартты энтропия мәндеріне сүйеніп, Гиббс энергиясын есептеу керек, реакция өздігінен жүре ме? СО + Н2О(с) = СО2 + Н2.

Жауабы: –19,91 кДж.

27. 4НСІ (г) + О2 « 2Н2О(г) +2СІ2, жүйеде қай температурада тепе-теңдік орнайды? Процесс кезінде – 114,42кДж энергия бөлінеді. Бұл жүйеде қай температураларда хлор әлде оттегі күштірек тотықтырғыш болады?

Жауабы: 891К.

28. Аммоний хлоридінің кристаллы газ тәріздес аммиак пен хлорлы сутек әрекеттескенде түзіледі, процестің жылу эффектісін есептеу керек. Егер реакцияға қ.ж. 10л аммиак түссе, қанша жылу бөлінеді? Жауабы: 78,97кДж.

29. Жай заттардан газ тәріздес күкіртті сутек түзілгенде 20,15кДж жылу бөлінеді. Сол заттардың стандартты этропиясына сүйеніп осы реакцияның S°298, G°298 есептеу керек. Стандартты жағдайда күкіртті сутек жай заттардан түзіле ме? Жауабы: 43,15Дж/моль∙К; - 33,01кДж.

30. Темір(Ш) оксиді сутегімен тотықсызданғанында 96,61кДж жылу сіңіреді. Егер энтропия өзгерісі 0,1387 кДж/моль∙К болса, стандартты жағдайда бұл реакция жүре ме? Қай температурадан бастап тотықсыздану реакциясы жүреді? Жауабы: »696К.