Тақырып 23

Термохимия: жылу эффектісі, Гесс заңы, Гиббс энергиясы

Спецификация бойынша не тексеріледі:

Экзо- және эндотермиялық реакцияларТермохимиялық теңдеулерГесс заңы, түзілу энтальпиясыЭнтропия және Гиббс энергиясы

Бір минутта мәні

Химиялық реакциялар энергия бөліп немесе сіңіріп жүреді. Жылу эффектісі термохимиялық теңдеулерде жазылады; оны Гесс заңы бойынша заттардың түзілу энтальпиялары арқылы есептеуге болады. Реакцияның өздігінен жүру мүмкіндігін Гиббс энергиясы анықтайды: ΔG=ΔH−TΔS<0\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0.

Қарапайым тілмен

Реакциядағы энергия — ақша сияқты: байланыстарды үзсек — жұмсаймыз, түзсек — аламыз. Айырмасы — жылу эффектісі.

Экзо — «жылу береді»

Жану, бейтараптану: энергия бөлінеді, Q>0Q>0, ΔH<0\Delta H<0. Мысал: C + O2 → CO2 + 393,5 кДж.

Эндо — «жылу алады»

Әктастың айырылуы, фотосинтез: қыздыру немесе жарық қажет, ΔH>0\Delta H>0.

Пропорция

Жылу зат мөлшеріне пропорционал: 1 моль 393,5 кДж берсе, 0,5 моль — 196,75 кДж.

Гесс заңы — «қай жолмен жүрсең де бәрібір»

Жылу эффектісі жолға емес, тек бастапқы және соңғы күйге байланысты. Сондықтан оны басқа реакциялардың эффектілерінен құрастыруға болады.

Басты формулалар

Q=−ΔHQ=-\Delta H
Жылу эффектісі мен энтальпия өзгерісінің байланысы
ΔHр=∑ΔHf(өнім)−∑ΔHf(баст.)\Delta H_{\text{р}}=\sum\Delta H_f(\text{өнім})-\sum\Delta H_f(\text{баст.})
Гесс заңының салдары (коэффициенттерді ескеріп)
QQ0=nn0\dfrac{Q}{Q_0}=\dfrac{n}{n_0}
Термохимиялық теңдеу бойынша есептеу
ΔG=ΔH−TΔS\Delta G=\Delta H-T\Delta S
Гиббс энергиясы; ΔG<0\Delta G<0 болса, реакция өздігінен жүреді

Ұғымдар мен терминдер

Экзотермиялық реакция
Жылу бөліп жүреді (ΔH<0\Delta H<0)
Эндотермиялық реакция
Жылу сіңіріп жүреді (ΔH>0\Delta H>0)
Түзілу энтальпиясы ΔHf\Delta H_f
Жай заттардан 1 моль зат түзілудің жылу эффектісі; жай заттар үшін (O2\text{O}_2, графит C) 0-ге тең
Энтропия SS
Жүйенің ретсіздік өлшемі; балқығанда, буланғанда, газ түзілгенде артады
Термохимиялық теңдеу
Жылу эффектісі мен заттардың агрегаттық күйі көрсетілген теңдеу

Тақырыпты талдау

Экзо- және эндотермиялық реакциялар 8 сынып

Энергия байланыстар үзілгенде сіңіріледі, түзілгенде бөлінеді. Жаңа «берік» байланыстар көбірек түзілсе — реакция экзотермиялық.

Белгілері: экзо — жану, бейтараптану, қосылу реакцияларының көбі; эндо — айырылу реакцияларының көбі, N2 + O2 → 2NO.

Термохимиялық теңдеулер 8, 10 сынып

CH4(г) + 2O2(г) → CO2(г) + 2H2O(с), ΔH=−890\Delta H=-890 кДж. Жылу эффектісі коэффициенттермен көрсетілген мөлшерлерге қатысты.

Сондықтан есептерде пропорция құрады: зат мольі ↔ кДж.

Гесс заңы 10 сынып

Реакцияның жылу эффектісі жолға байланысты емес, тек бастапқы және соңғы күйлерге байланысты (Г. И. Гесс, 1840).

Салдары: реакцияның ΔH\Delta H = өнімдердің түзілу энтальпияларының қосындысы минус бастапқы заттардың түзілу энтальпияларының қосындысы (коэффициенттермен).

Энтропия және Гиббс энергиясы 11 сынып

Өздігінен жүруді тек ΔH\Delta H емес, ΔS\Delta S те анықтайды. ΔH<0\Delta H<0 және ΔS>0\Delta S>0 болса — реакция кез келген температурада жүреді; ΔH>0\Delta H>0 және ΔS<0\Delta S<0 болса — ешқашан жүрмейді.

Таңбалары бірдей болса, бәрін температура шешеді: шекара T=ΔH/ΔST=\Delta H/\Delta S (кДж-ды Дж-ға айналдыруды ұмытпаңыз!).

Шешімі бар есеп мысалдары

Есеп 1C + O2 → CO2 + 393,5 кДж теңдеуі бойынша 6 г көмір жанғанда бөлінетін жылуды табыңыз.
  1. n(C)=6/12=0,5n(\text{C})=6/12=0{,}5 моль.
  2. Q=0,5⋅393,5=196,75Q=0{,}5\cdot393{,}5=196{,}75 кДж.
Жауабы 196,75 кДж
Есеп 2Күкірт жанғанда 148,5 кДж бөлінді. Теңдеу: S + O2 → SO2 + 297 кДж. Қанша күкірт жанды?
  1. n=148,5/297=0,5n=148{,}5/297=0{,}5 моль.
  2. m=0,5⋅32=16m=0{,}5\cdot32=16 г.
Жауабы 16 г

Күрделі есептер: қадам-қадаммен

Есеп 1ΔHf\Delta H_f: CH4 −74,8; CO2 −393,5; H2O(с) −285,8 кДж/моль болса, метанның жану жылу эффектісін және 44,8 л CH4 (қ. ж.) жанғанда бөлінетін жылу мөлшерін есептеңіз.

Идея: Гесс заңының салдары: өнімдер минус бастапқылар, коэффициенттерді ұмытпаңыз; O2-нің түзілу энтальпиясы 0.

  1. 1-қадам. Теңдеу
    CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(с).
  2. 2-қадам. Өнімдер қосындысы
    −393,5+2⋅(−285,8)=−393,5−571,6=−965,1-393{,}5+2\cdot(-285{,}8)=-393{,}5-571{,}6=-965{,}1 кДж.
  3. 3-қадам. Бастапқы заттар қосындысы
    −74,8+2⋅0=−74,8-74{,}8+2\cdot0=-74{,}8 кДж.
  4. 4-қадам. Жылу эффектісі
    ΔH=−965,1−(−74,8)=−890,3\Delta H=-965{,}1-(-74{,}8)=-890{,}3 кДж/моль; реакция экзотермиялық, Q=890,3Q=890{,}3 кДж.
  5. 5-қадам. 44,8 л үшін
    n=44,8/22,4=2n=44{,}8/22{,}4=2 моль; Q=2⋅890,3=1780,6Q=2\cdot890{,}3=1780{,}6 кДж.
Жауабы ΔH=−890,3\Delta H=-890{,}3 кДж/моль; 1780,6 кДж
Есеп 2CaCO3 → CaO + CO2 реакциясы үшін ΔH=+178\Delta H=+178 кДж, ΔS=+160\Delta S=+160 Дж/К. Реакция 25 °C-та жүре ме? Қандай температурада мүмкін болады?

Идея: Мәндерді ΔG=ΔH−TΔS\Delta G=\Delta H-T\Delta S формуласына қойыңыз, алдымен кДж-ды Дж-ға (немесе Дж-ды кДж-ға) айналдырыңыз.

  1. 1-қадам. Бірліктер
    ΔS=160\Delta S=160 Дж/К =0,160=0{,}160 кДж/К; T=25+273=298T=25+273=298 K.
  2. 2-қадам. 25 °C-тағы ΔG
    ΔG=178−298⋅0,160=178−47,7=+130,3\Delta G=178-298\cdot0{,}160=178-47{,}7=+130{,}3 кДж > 0 — бөлме температурасында реакция жүрмейді.
  3. 3-қадам. Шекаралық температура
    ΔG=0\Delta G=0 болатын T=ΔH/ΔS=178/0,160≈1113T=\Delta H/\Delta S=178/0{,}160\approx1113 K, яғни ≈ 840 °C.
  4. 4-қадам. Қорытынды
    ≈ 840 °C-тан жоғары ΔG<0\Delta G<0 — әктас айырылады. Сондықтан әкті пештерде ~900–1000 °C-та күйдіріп алады.
Жауабы 25 °C-та жоқ (ΔG=+130\Delta G=+130 кДж); ≈ 1113 K-нен (≈ 840 °C) жоғары

ҰБТ-дағы жиі қателіктер

  • Таңбалар: экзо — Q>0Q>0, бірақ ΔH<0\Delta H<0. Шатастырмаңыз.
  • Жай заттардың (O2, H2, графит) түзілу энтальпиясы нөлге тең.
  • ΔG=ΔH−TΔS\Delta G=\Delta H-T\Delta S формуласында әдетте ΔH\Delta H кДж-мен, ал ΔS\Delta S Дж/К-мен — бірліктерді айналдырыңыз.
  • Теңдеудегі жылу эффектісі әр заттың 1 моліне емес, коэффициенттер бойынша мөлшерлерге.

Есте сақта

Экзо: ΔH<0\Delta H<0. Гесс: өнімдер − бастапқылар. Гиббс: ΔG<0\Delta G<0 — реакция жүреді.

Өзіңді тексер

1. Қай реакция эндотермиялық?
  1. Метанның жануы
  2. Бейтараптану
  3. CaCO3 айырылуы
  4. Сутектің жануы
Жауабын көрсету

CaCO3 айырылуы Әктастың айырылуы қыздыруды қажет етеді.

2. 2H2 + O2 → 2H2O + 572 кДж. 1 г сутек жанғанда қанша жылу бөлінеді?
  1. 143 кДж
  2. 286 кДж
  3. 572 кДж
  4. 71,5 кДж
Жауабын көрсету

143 кДж 1 г = 0,5 моль; 2 мольге 572 кДж → 0,5 · 286 = 143 кДж.

3. Реакция кез келген температурада өздігінен жүреді, егер:
  1. ΔH > 0, ΔS < 0
  2. ΔH < 0, ΔS > 0
  3. ΔH > 0, ΔS > 0
  4. ΔH < 0, ΔS < 0
Жауабын көрсету

ΔH < 0, ΔS > 0 Онда әрқашан ΔG < 0.

4. O2(г) түзілу энтальпиясы:
  1. −393,5
  2. 0
  3. +249
  4. −285,8
Жауабын көрсету

0 Стандартты күйдегі жай зат үшін — 0.

Байланысты тақырыптар

4. Кинетика. Химиялық тепе-теңдік13. Көмірсутектер20. Зат мөлшері, газ заңдары, формуланы шығару

Деңгейіңді біл: ҰБТ-ға тегін диагностика