Основные уравнения химической термодинамики и химического равновесия

1. Q = DE + W -уравнение первого начала термодинамики

2. W = PDV –работа расширения

3. Q_v = DE_v -теплота изохорного процесса

4. Q_p = DH_p -теплота изобарного процесса

5. DH_p = DE + PDV -уравнение первого начала термодинамики для изобарных процессов

6. DH = å_nDH⁰ _{298 обр. прод. реак.} - å_nDH⁰ _{298 обр. исх. веществ} - первое следствие закона Гесса

7. DH = å_nDH⁰ _{298 сгор. исход. в.} - å_nDH⁰ _{298 сгор. прод. реакции}- второе следствие закона Гесса

8. Q = W -уравнение первого начала термодинамики для биосистем

9. DS = Q / T ¾¾ -энтропия как функция состояния системы

10. DS ³ 0 -уравнение второго начала термодинамики

11. S = å_nS⁰ _{298 прод. р.} - å_nS⁰ _{298 исх. в.} -расчет энтропии реакции

12. DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰ -уравнения для расчета энергии Гиббса

13. DG⁰ = å_nDG⁰ _{298 прод. р.} - å_nDG⁰ _{298 исх. в.} расчет энергии Гиббса по реакции

14. DG⁰ = - 2,3RT lg Кс- уравнение изотермы химической реакции при стандартных условиях

15. - уравнение изотермы химической реакции

16. - константа химического равновесия, выраженная через равновесные концентрации вещества

17. - константа химического равновесия, выраженная через равновесные парциальные давления вещества

18. - уравнение изобары

19. - расчет теплового эффекта по значениям констант

Таблица 1

Стандартные энтальпии образования веществ, стандартные энтропии и стандартные энергии Гиббса образования веществ

Стандартные энтальпии сгорания органических веществ, кДж/моль

Удельная теплота полного окисления веществ в условиях организма, кДж/г.

Обучающие задачи

Задача 1.В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Первая - окисление этилового спирта до уксусного альдегида с участием фермента алкогольдегидрогеназы протекает по уравнению: С₂H₅OH + ½ O₂ = CH₃COH + H₂O.

Рассчитайте DH⁰ реакции, используя первое следствие закона Гесса, если

DН⁰ _обр.(C₂H₅OH) = - 278 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(CH₃СOH) = - 166 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(H₂O) = - 286 кДж/моль.

Решение: DH⁰ = å n DH⁰ _{обр.пр.р.} - å n DН⁰ _{обр.исх.в.в}; DH = (-166+ (-286)-(-278)) = - 174 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект реакции DH = -174 кДж/моль, т.е. процесс экзотермический.

Задача 2.Теплота сгорания глюкозы равна -2810 кДж/моль, теплота сгорания этилового спирта равна -1366 кДж/моль. На основании этих данных вычислите тепловой эффект биохимического процесса брожения глюкозы:

С₆Н₁₂О₆= 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Решение: Тепловой эффект данной реакции можно рассчитать, применяя второе следствие из закона Гесса:

DН = ån DН⁰ _{сгор. исход. веществ} - å n DH⁰ _{сгор. прод. реакции}

DН = -2810 - 2 ∙(-1366) = - 78 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект процесса брожения равен - 78 кДж/моль.

Задача 3.Рассчитайте стандартную энтропию реакции:

NH₂ - CH₂ - COOH + NH₂ - CH₂ - COOH → NH₂ - CH₂ - CO - NH - CH₂ - COOH + H₂O

глицин глицин глицилглицин

Если S⁰ _{(глицилглицина)} = 231 Дж/моль×К;

S⁰ _{(глицина)} = 159 Дж/ моль×К; S⁰( H₂O) = 70 Дж/моль×К;

Решение:

DS = S⁰₂₉₈(гл-гл) +S⁰₂₉₈(H₂O)– 2 S⁰ ₂₉₈(глицина) = (231+70)-(159+159)= -17 Дж/моль×К

Ответ:DS⁰ ₂₉₈= - 17 Дж/моль×К, т.е. энтропия уменьшится.

Задача 4.Теплота сгорания углеводов, белков и жиров составляет 17, 17 и 39 кДж

соответственно. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов - мужчин составляет 113, 106 и 451г. Какова суточная потребность студентов - мужчин в энергии?

Решение: Рассчитываем, сколько энергии выделяется при окислении углеводов, белков и жиров

DH = (451×17) + (113 × 17) + (106 × 39) = 13722 кДж.

Ответ: Суточная потребность в энергии равна 13722 кДж.

Задача 5. Почему процесс денатурации белка при 40⁰С является самопроизвольным, если реакция эндотермическая и тепловой эффект составляет 2830 Дж/моль? Значение DS для данной реакции равно 288 Дж/моль∙К

Решение:Для определения направления процесса необходимо знать величину изменения энергии Гиббса, рассчитываемой по уравнению: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰. Расчет показывает, что DG < 0 ( DG⁰ = 2830 Дж/моль - (313К × 288 Дж/моль∙К) = - 87314 Дж/моль или - 87,3 кДж/моль).

Ответ: Поскольку DG < 0, то процесс денатурации белка при 40⁰С протекает самопроизвольно, повышение температуры тела может представлять опасность для жизнедеятельности организма.

Задача 6. Вычислите энергию Гиббса, являющуюся критерием самопроизвольности процессов, для реакции гликолиза при стандартных условиях: С₆H₁₂О₆ (р-р) ® 2С₃H₆О₃ (р-р) (молочная кислота).

Решение:

Из таблицы термодинамических величин запишем стандартную энергию Гиббса для участников химического процесса: ∆G⁰ (С₆H₁₂О₆) = -917 кДж/моль; ∆G⁰(С₃H₆О₃) = -539 кДж/моль. Используя 1 следствие из закона Гесса вычислим энергию Гиббса:

ΔG⁰ = 2×ΔG⁰ (C₃H₆O₃) - ΔG⁰ (C₆H₁₂O₆)

ΔG⁰ = 2(-539) – (-917) = -161 кДж/моль

Ответ:т.к. ΔG⁰ < 0, то реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Задача 7. Вычислить изменение энергии Гиббса при 25⁰С по стандартным значениям энтальпий образования и абсолютных энтропий для данной реакции: СО + 2Н₂ = СН₃ОН

DН⁰_обрСН₃ОН = -293 кДж/моль S⁰(СН₃ОН) = 127 Дж/моль×К

DН⁰_обрСО = - 110 кДж/моль. S⁰(CO) = 198 Дж/моль×К

S⁰(H₂) = 131 Дж/моль×К

Решение: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰

DH⁰ = ånDH⁰_{обр. пр. реак.} - ånDН⁰_{обр. исх. веществ}

DН⁰ = - 293 - (-110) = - 183 кДж/моль

DS⁰ = å n S⁰ _{прод. р} - å n S⁰ _{исход. веществ}

DS⁰ = 127 - (198 + 2(131) = - 333 Дж/моль×К

DG⁰ = - 183,5 кДж/моль - (298К × 0,333 кДж/моль×К) = - 83,8 кДж/моль

Ответ: DG⁰ = - 83,8 кДж/моль

Задача 8.Рассчитайте константу равновесия при 310 К для реакции АТФ + АМФ↔2 АДФ, если свободная энергия Гиббса реакции ΔG°=-2,1 кДж/моль

Решение:в состоянии равновесия DG⁰ = - 2,3RT lg Кс

lgKc= 0,354

K_c= 10^0,354=2,26

Ответ: Kc = 2,26

Задача 9.Константа равновесия реакции: PCl₅(г) « PCl₃(г) + Cl₂(г) при 250⁰С равна 2. В каком направлении идет реакция при следующих концентрациях: С(PCl₅) = C(PCl₃) = 2 моль/л; С(Сl₂) = 4 моль/л ?

Решение: Для определения направления протекания реакции воспользуемся уравнением изотермы

Рассчитаем Пс

Т.к. П_с > К_с, то DG > 0

Вывод: реакция самопроизвольно протекать в прямом направлении не может, т.к. DG>0.

Задача 10.Константа равновесия реакции 2SO₂ (г) + O₂(г) Û 2SO₃(г) при температуре 627⁰С равна 2,3∙10^-7, DН⁰ = 376,5 кДж/моль. Рассчитайте константу равновесия при 727⁰С.

Решение: воспользуемся уравнением изобары химической реакции:

T₁ = 273 + 627 = 900 K

T₂ = 273 + 727 = 1000K

Ответ: Константа равновесия при 727⁰С равна 3,56 × 10^-5 .

Задача 11.Для реакции Н₂О_(г) + СO_(г) ® CO₂(г) + H_2(г) константы химического равновесия равны: при 800⁰С Кр = 2,87, при 1000⁰С Кр = 1,39. Вычислите тепловой эффект этой реакции.

Решение: Применив, уравнение изобары химической реакции, рассчитаем DН

Перевёдём температуру в Кельвины: T₁ = 800 + 273 = 1073 K

T₂ = 1000 + 273 = 1273 K

Ответ:DН = -39,16 кДж/моль.

Задачи для самостоятельной работы

Задача 1.На испарение 1 моля воды требуется 40 кДж. Сколько теплоты будет потеряно за день при выделении через кожу 720г воды?

Ответ:1600 кДж

Задача 2.Пероксид водорода (Н₂О₂) в виде раствора с массовой долей 3 %. используется в медицине для обработки ран. Докажите, что процесс разложения пероксида водорода в присутствии фермента каталазы является самопроизвольным, используя для расчёта значения стандартной энтропии образования исходных веществ и продуктов реакции:

S⁰ ₂₉₈ (H₂O₂) =110 Дж/моль×К; S⁰ ₂₉₈ (Н₂О) = 70 Дж/моль×К; S⁰₂₉₈(O₂) = 205 Дж/моль×К.

Ответ: ΔS = 62,5 Дж/моль × К

Задача 3. При сжигании метана объемом 2 м³ выделяется 79600 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную теплоту сгорания метана.

Ответ: 891,52 кДж/моль

Задача 4. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса для процесса окисления глюкозы по следующим данным: DН⁰_обр (С₆Н₁₂О₆) = - 1264,4 кДж/моль; DН⁰_обр (СО₂) = - 393 кДж/моль;

DН⁰_обр (Н₂О) = - 286 кДж/моль. Изменение энтропии всей реагирующей системы равно 0,259 кДж/моль×K

Ответ:DG = - 2886,8 кДж/моль.

Задача 5.Вычислите стандартную энтальпию образования этанола, воспользовавшись необходимыми для этого стандартными энтальпиями сгорания.

Ответ: DН⁰_обр. = -273 кДж/моль

Задача 6.Константа равновесия реакции N₂O_{4 (г)} ↔ 2 NO_{2 (г)} при 25⁰С равна 0,1. В каком направлении будет идти реакция при следующих концентрациях веществ:

а) С(NO₂) = С (N₂O₄) = 0,1 моль/л ?

б) С(NO₂) = 0,01 моль/л; С (N₂O₄) = 0,02 моль/л?

Задача 7. Для реакции H₂ + I₂ ® 2HI при 444⁰С константа равновесия равна 50. Определите направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: С(H₂) = 2моль/л, С(HI) = 10моль/л.

Ответ:Состояние равновесия, т.к ∆G=0.

Задача 8 .Рассчитайте константу равновесия, если для данной реакции DG⁰ ₂₉₈ = - 4,478 кДж/моль.

Ответ: 6,1

Задача 9.Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413К равна 0,396∙10⁵ Па, а при 443К - 1,286∙10⁵ Па. Вычислить тепловой эффект реакции.

Ответ: 59,6 кДж/моль.

Задача 10.Используя значениеDG⁰, установите, существует ли угроза отравления при использовании в качестве наркотического средства оксида азота (I). Токсичный оксид азота (II) может образовываться по реакции 2N₂O + O₂↔4 NO. Все вещества находятся в газообразном состоянии. Для решения задачи используйте справочные данные.

Тестовые вопросы

1. Если энтальпия образования SO₂ равна -297 кДж/моль, то количество теплоты, выделяемое при сгорании 16г серы, равно ____кДж.

1) 148,5 2) 297 3) 594 4)74,25

2. В реакции, протекающей в соответствии с термохимическим уравнением

3H₂ + N₂ = 2 NH₃ + 92 кДж, выделилось 23 кДж теплоты. Объём полученного (при н.у.) аммиака равен____.

1) 5,6 л 2) 11,2л 3) 22,4л 4) 44,8л

3. По термохимическому уравнению реакции С₂Н₄ + Н₂О ↔ С₂Н₅ОН +46 кДж

вычислите объём взятого этилена (н,у.), если известно, что выделившаяся в этом процессе теплота составила 138 кДж.

1) 44,8 л 2) 22,4л 3) 67,2 4) 89,6л

4. В реакцию, протекающую в соответствии с термохимическим уравнением

2Al + 3S = Al₂S₃ +509 кДж вступило 108 г алюминия. Количество выделившейся теплоты равно____.

1) 242,5 кДж 2) 509 кДж 3) 1018 кДж 4) 2036 кДж

5. В результате реакции, термохимическое уравнение которой 2Al +Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2 Fe +848 кДж, выделилось 169,6 кДж теплоты. Масса образовавшегося железа равна_____.

1) 11,2 г 2) 22,4 г 3) 56 г 4) 28 г

6. По термохимическому уравнению реакции горения ацетилена 2С₂Н₄ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О +2610 кДж рассчитайте, сколько выделится теплоты, если в реакцию вступило 67,2 л ацетилена (н.у.)

1) 870 кДж 2) 3915 кДж 3) 5220 кДж 4) 7830 кДж

7. В результате реакции, термохимическое уравнение которой 2С₂Н₄+ 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О +2610 кДж выделилось 652, 5 кДж теплоты. Объём сгоревшего ацетилена равен

1) 11,2 л 2) 22,4 л 3) 44,8 л 4) 67,2 л

8. Какое выражение соответствует константе химического равновесия для данной реакции

N₂+3H₂ = 2NH₃

1) K_c = [NH₃]²/ [N₂]+[H₂]³ 3) К_р = [NH₃]² / [N₂][H₂]

2) К_с = [NH₃]² / [N₂][H₂]³ 4) К_с = []N₂][H₂]³/ [NH₃]²

9. Как нужно изменить давление, чтобы реакция гемоглобина с кислородом

Hb + O₂ « HbO₂ была смещена вправо?

1) уменьшить давление 2) увеличить давление 3) давление не влияет

10. Какое значение константы равновесия соответствует данной реакции 2NO +O₂ « 2NO₂

1) Kc= [NO₂]²/ [NO][O₂] 3) Kc= [NO][O₂]/ [NO₂]²

2) Kc= [NO₂]² / [NO]²[O₂] 4) Kc= [NO₂]/ [NO][O₂]

11. Как нужно изменить давление реакции N₂+3H₂ « 2 NH₃, чтобы сместить равновесие вправо?

1) уменьшить 3) не изменять

2) увеличить 4) увеличить давление NH₃

12. Будет ли влиять давление на смещение равновесия данной реакции H₂ + Cl₂ = 2 HCl ?

1) будет 2) нет

3) сместит равновесие вправо 4) сместит равновесие влево

13. Какие значения должна принимать энергия Гиббса, чтобы процесс шёл в обратном направлении?

1) DG⁰ < 0 2) DG⁰ > 0 3) DG⁰ = 0 4) DG⁰ = 1

14. Равновесие в реакции, уравнение которой СН₄(г) + 4S(ж) ↔ СS₂(г) + 2Н₂S(г), ΔH<0, сместиться влево при ______.

1) понижении давления 3) дополнительном введении серы

2) понижении температуры 4) увеличении концентрации H₂S

15. Будет ли протекать реакция в прямом направлении, если DG = 18 кДж/моль?

1) нет 2) химическое равновесие 3) будет

16. Система, в которой повышение давления и повышение температуры приведут к смещению равновесия в противоположных направлениях:

1) СO₂(г) + C(т) ↔ 2СО(г), ΔН<0

2) J₂(г) + 5 СО₂(г) ↔ J₂O₅(т) + 5СО(г), ΔН>0

3) N₂(г) + О₂(г) ↔ 2 NO(г), ΔН>0

4) С₂Н₂(г) + 2Н₂(г) ↔ С₂Н₆ (г), ΔН<0

17. Как нужно изменить давление, чтобы равнеовесие реакции гемоглобина с кислородом былаосмещено влево Hb + O₂ « HbO₂?

1) уменьшить давление 2) увеличить давление 3) давление не влияет

18. В реагирующей системе, уравнение которой NO(г) + Cl₂(г) ↔ NOCl₂(г) ΔH > 0, равновесие сместиться вправо при_____.

1) повышении давления 3) понижении температуры

2) использовании катализатора 4) повышении концентрации NOCl₂

19. Для смещения равновесия в системе SO_2(г)+Cl_2(г) SO₂Cl_2(г), DH°<0 в сторону продуктов реакции необходимо_____,

1) понизить температуру 3) понизить концентрацию SO₂

2) понизить давление 4) ввести катализатор 5) повысить температуру

20. На состояние химического равновесия в системе 2SO_2(г) + О_{2 (г)} ↔2 SO₃, ΔH⁰ < 0 не влияет____

1) катализатор 3) изменение температуры

2) изменение концентрации исходных веществ 4) изменение давления

21. Для нахождения реакции , следует воспользоваться формулой:

1)

2)

3)

4)

22. Для нахождения реакции следует воспользоваться формулой: 1)

2)

3)

4)

Дата добавления: 2014-09-10; просмотров: 1230; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!