|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
В изолированных системах самопроизвольно могут совершаться только такие необратимые процессы, при которых возрастает энтропия системы, т.е. они идут только за счет увеличения энтропии ⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4
Δ S > 0 (10) При достижении системой равновесия энтропия изолированной системы будет максимальной и в состоянии равновесия не меняется
Sравн = max Δ Sравн = 0 (11) Пример5: Определите возможность самопроизвольного взаимодействия водорода с хлором в изолированной системе. Решение: При качественной оценке изменения энтропии по изменению агрегатного состояния участников реакции оказывается, что энтропия не меняется: вступает в реакцию и образуется два моль газов. Проверим расчётом изменение энтропии.
S°298, Дж/моль∙ К 131 223 187 Δ S°р-ии = 2∙ S°(НCl) – [S°(Н2) + S°(Cl2)] Δ S°р-ии = 2∙ 187 – (131 + 223) = 20 Дж /К Ответ: ∆ S> 0, следовательно, в изолированной системе реакция может протекать самопроизвольно. Использование энтропийного фактора для объяснения самопроизвольности процессов всё чаще встречается у социологов и философов для объяснения процессов, происходящих в обществе – беспорядок, разруха создаются как бы сами собой, а для наведения порядка, созидания требуются усилия, затраты энергии. 3.4. Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал)
Закрытые и открытые системы реальны. Они обмениваются с окружающей средой энергией, поэтому при поиске критерия самопроизвольного протекания процесса следует учитывать не только изменение энтропии, но и изменение энергии. Мы уже упоминали, что самопроизвольно протекают процессы, идущие с выделением тепла, т.е. экзотермические процессы, другими словами, система стремится к минимуму энергии, а с другой стороны она стремится к увеличению беспорядка, т.е. к максимальной энтропии. Параметром, учитывающим обе противоположные тенденции системы при самопроизвольных процессах, является ещё одна термодинамическая функция – изобарно-изотермический потенциал или энергия Гиббса, G. Изменение энергии Гиббса рассчитывают по уравнению
∆ G = ∆ H – T·∆ S (12)
где ∆ Н – это энтальпийный член. Он отражает стремление системы к минимуму энергии. Согласно первому началу термодинамики, ∆ Н характеризует общий запас энергии системы, находящейся при постоянных давлении и температуре: Q1 = ∆ Н. Т·∆ S – энтропийный член, он характеризует стремление системы к максимальной неупорядоченности. Согласно второму началу термодинамики при T = const это та часть тепла, полученного системой, которая тратится бесполезно, связанное тепло: Q2 = Т·∆ S. ∆ G называют свободной энергией – часть оставшейся энергии, ∆ G = Q1 - Q2, которую можно превратить в работу, т.е. при её расходовании, уменьшении может происходить самопроизвольный процесс. Следовательно, ∆ G является критерием возможности самопроизвольного процесса при постоянных давлении и температуре (P = const, T = const). Уравнение (12) называют объединённым уравнением I и II начал термодинамики. Соотношение между названными термодинамическими функциями можно представить графически:
Отсюда, второе начало термодинамики для любых систем
∆ G < 0 (13)
Это математическое выражение второго начала термодинамики является универсальным критерием самопроизвольного протекания реакции и любого процесса. Если ∆ G > 0, то в этих условиях реакция самопроизвольно протекать не может. Если ∆ G = 0, то система находится в состоянии равновесия, энергия Гиббса достигла своего минимального значения и больше не меняется. Для определения возможности самопроизвольного протекания реакции а) в стандартных условиях изменение энергии Гиббса реакции рассчитывают, используя закон Гесса, как и в случае других термодинамических функций (∆ H и ∆ S):
∆ G°реакции = Σ i·∆ G°298 продукты - Σ i·∆ G°298 исх.вещества (14) где ∆ G° кДж/моль – табличные значения стандартной энергии Гиббса образования веществ. б) для нестандартных условий ∆ G реакции рассчитывают, используя объединённое уравнение первого и второго начал термодинамики. Для этого предварительно рассчитывают энтальпию реакции ∆ Н° и энтропию реакции ∆ S°. Анализируя объединённое уравнение можно сделать вывод, что самопроизвольно (т.е. ∆ G°< 0) могут протекать реакции: - экзотермические (∆ Н°< 0), если |∆ Нреакции| > |Т·∆ Sреакции|, т.е. при низких температурах, когда энтальпийный член больше энтропийного. - эндотермические (∆ Н°> 0), если |∆ Нреакции| < |Т·∆ Sреакции|, т.е. при высоких температурах, когда энтропийный член больше энтальпийного. Пример 6: Определить возможность самопроизвольного протекания реакции синтеза аммиака при 100°С. Решение: Поскольку условия реакции нестандартные, то расчёт ведём по объединённому уравнению ∆ G = ∆ H – T·∆ S. Выписываем под формулами каждого вещества значения его ∆ Н°298 и S°298
∆ Н°298, кДж/моль 0 0 - 46 S°298 , Дж/моль·К 131 192 193
1) Расчёт энтальпии реакции ∆ Н°реакции = 2·∆ Н°(NH3) – [3·∆ Н°(H2) + ∆ Н°(N2)] ∆ Н°реакции = 2·(-46) – (3·0 + 0) = -92 (кДж) ∆ Н°< 0, реакция экзотермическая 2) Расчёт энтропии реакции ∆ S°реакции = 2·S°(NH3) – [3·S°(H2) + S°(N2)] ∆ S°реакции = 2·193 – (3·192+ 131) = 386 – 707 = - 321(Дж/К) Переводим значение энтропии в те же единицы, что и ∆ Н° (в кДж) ∆ S°= - 0, 321кДж/К 3) Расчёт свободной энергии Гиббса реакции ∆ Gреакции = ∆ H° – T·∆ S° Т = 100 + 273 = 373К ∆ Gреакции = -92 – 373· (-0, 321) = -92 + 119, 73 = 27, 73 (кДж) Ответ ∆ Gреакции > 0, реакция самопроизвольно протекать не может (хотя и экзотермическая). Решающим оказался энтропийный член.
3.5. Принцип энергетического сопряжения
Биохимические реакции идут при постоянных давлении и температуре. Если они сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, ∆ G < 0, их называют экзэргоническими реакциями. Если биохимическая реакция сопровождается увеличением энергии Гиббса, ∆ Gреакции > 0, ее называют эндэргонической. Она невозможна без внешнего подвода энергии. В живых системах эндэргонические реакции протекают только за счёт сопряжения их с экзэргоническими реакциями, за счёт их энергии. Для такого сопряжения необходимо два условия: 1) наличие промежуточного соединения, общего для обеих реакций (интремедиата) 2) суммарное изменение энергий Гиббса сопряженных реакций должно быть отрицательным Σ ∆ G < 0 В сопряженных реакциях каждая отдельная реакция может протекать только в сопряжении с другой, по отдельности они протекать не могут. Например, эндэргоническая реакция образования глюкозо-1-фосфата протекает благодаря её сопряжению с экзэргонической реакцией гидролиза АТФ, где общим интермедиатом является ортофосфорная кислота (Ф) и суммарная энергия Гиббса этих реакций уменьшается.
 
∆ Gобщ = 17 + (– 30) = -13 кДж НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Сущность: Система: Критерии возможности самопроизвольного процесса:
Расчётное уравнение – объединённое уравнение 1 и 2 начал термодинамики: Название членов объединённого уравнения: и их характеристика:
Какую тенденцию отражает при самопроизвольном процессе Тестовые задания для самоконтроля
1. Химическая термодинамика изучает а) скорость протекания химических превращений и их механизм б) энергетические характеристики физических и химических процессов и способность химических систем выполнять полезную работу в) условия смещения химического равновесия г) влияние катализаторов на биохимическую реакцию.
2. К какому типу термодинамических систем принадлежит раствор, находящийся в запаянной ампуле, помещенной в термостат. а) изолированной в) закрытой б) открытой г) стационарной
3. К какому типу термодинамических систем принадлежит раствор, находящийся в запаянной ампуле? а) изолированной в) закрытой б) открытой г) стационарной
4. К какому типу термодинамических систем принадлежит живая клетка а) открытой в) изолированной б) закрытой г) равновесной
5. Функциями состояния системы называют величины, которые а) зависят только от начального и конечного состояния системы б) зависят от пути процесса в) зависят только от начального состояния системы г) зависят только от конечного состояния системы
6. Какие величины являются функциями состояния системы а) внутренняя энергия в) теплота д) энтропия б) работа г) энтальпия
7. Какие формы обмена энергией между системой и окружающей средой рассматривает термодинамика а) теплота в) химическая д) механическая б) работа г) электрическая е) ядерная и солнечная
8. Внутренняя энергия системы – это а) весь запас энергии системы, кроме потенциальной энергии положения и кинетической энергии системы в целом б) весь запас энергии системы в) весь запас энергии системы, кроме потенциальной энергии положения г) величина, характеризующая меру неупорядоченности расположения частиц системы
9. Первый закон термодинамики отражает связь между а) работой, теплотой и внутренней энергией б) свободной энергией Гиббса, энтальпией и энтропией системы в) работой и теплотой системы г) работой и внутренней энергией
10. Какое уравнение является математическим выражением первого начала термодинамики для изолированной системы? а) ∆ U = 0 б) ∆ U = Q - p•∆ V г) ∆ G = ∆ H - T•∆ S
11. Какое уравнение является математическим выражением первого начала термодинамики для закрытой системы а) ∆ U = 0 б) ∆ U = Q - p•∆ V г) ∆ G = ∆ H - T•∆ S д) ∆ S > 0
12. Энтальпия реакции – это а) количество теплоты, выделяющееся или поглощаемое в ходе реакции при постоянных давлении и температуре б) количество теплоты, выделяющееся или поглощаемое в ходе реакции при постоянных объеме и температуре в) величина, характеризующая возможность самопроизвольного протекания процесса г) величина, характеризующая меру неупорядоченности расположения и движения частиц системы
13.Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении и температуре, называется изменением а) внутренней энергии в) энтальпии д) свободной энергии б) нет верного ответа г) энтропии
14.При каких условиях теплота, получаемая системой из окружающей среды, равна изменению энтальпии системы а) при постоянном объеме в) при постоянной температуре б) при постоянном давлении г) ни при каких
15. Какие процессы являются экзотермическими а) для которых ∆ Н < 0 в) для которых ∆ Н > 0 б) для которых ∆ G < 0 г) для которых ∆ G > 0
16. Какой закон лежит в основе расчетов калорийности продуктов питания а) Вант-Гоффа в) Сеченова б) Гесса г) Рауля
17. При окислении каких веществ в условии организма выделяется большее количество энергии а) белков в) углеводов б) жиров г) углеводов и белков
18. Самопроизвольным называется процесс, который а) осуществляется без помощи катализатора б) сопровождается выделением энергии в) осуществляется без затраты энергии извне г) протекает быстро
19. Энтропия реакции – это а) количество теплоты, поглощаемое или выделяющееся в ходе реакции в изобарно-изотермических условиях б) количество теплоты, поглощаемое или выделяющееся в ходе реакции в изохорно-изотермических условиях в) величина, характеризующая возможность самопроизвольность протекания процесса г) величина, характеризующая меру неупорядоченности расположения и движения частиц системы.
20. В каком соотношении находятся энтропии трех агрегатных состояний одного и того же вещества а) Sг > Sж > Sтв в) Sж > Sг > Sтв б) Sтв > Sж > Sг г) агрегатное состояние не влияет на значение энтропии
21. Энтропия системы увеличивается при а) повышении давления в) переходе из жидкого состояния в твердое б) повышении температуры г) переходе из газообразного в жидкое состояние
22. В изолированной системе самопроизвольно протекает химическая реакция с образованием некоторого количества продукта. При этом энтропия такой системы а) увеличивается в) не изменяется б) уменьшается г) достигает минимального значения
23.При каких условиях изменение энтропии может быть равно работе процесса а) постоянные давление и температура б) постоянные объем и температура в) изменение энтропии никогда не равно работе г) в изотермических, при постоянном давлении и объеме.
24. Как изменится связанная энергия системы T•Δ S при нагревании и при её конденсации а) при нагревании растёт, при конденсации уменьшается б) при нагревании уменьшается, при конденсации растёт в) изменений не происходит г) при нагревании и конденсации растёт.
25. В изолированной системе все самопроизвольные процессы протекают в сторону увеличения беспорядка. Как при этом изменяется энтропия? а) не изменяется в) уменьшается б) увеличивается г) сначала увеличивается, а затем уменьшается
26. Как изменяется энтропия системы в обратимой реакции синтеза аммиака а) прямая реакция идет с уменьшением энтропии, обратная – с увеличением б) прямая реакции идет с увеличением энтропии, обратная – с уменьшением в) энтропия увеличивается для прямой и обратной реакции. г) энтропия в ходе процесса не изменяется
27. Максимальная полезная работа в химической реакции при постоянном давлении и температуре осуществляется за счет а) убыли энергии Гиббса в) увеличения энтальпии б) увеличения энтропии г) уменьшения энтропии
28. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы максимальная работа в системе совершалась за счет убыли энергии Гиббса а) постоянный объем и температура б) постоянное давление и температура в) неизменные энтальпия и энтропия процесса г) постоянные объем и давление
29. Какими одновременно действующими факторами определяется направленность химического процесса а) энтальпийным и температурным в) энтропийным и температурным б) энтальпийным и энтропийным г) изменением энергии Гиббса и температуры
30. Самопроизвольный характер процесса лучше всего определять путем оценки изменения а) энтропии в) свободной энергии Гиббса б) энтальпии г) температуры
31. Максимальная полезная работа живым организмом в изобарно-изотермических условиях осуществляется за счет а) убыли энтальпии в) убыли энергии Гиббса б) увеличения энтропии г) увеличения энергии Гиббса
32.Эндергоническим называют процесс, в котором а) ∆ H < 0 в) ∆ H > 0 б) ∆ G < 0 г) ∆ G > 0
33. Экзергоническим называют процесс, в котором а) ∆ H < 0 в) ∆ H > 0 б) ∆ G < 0 г) ∆ G > 0
34. В изобарно-изотермических условиях в системе самопроизвольно осуществляются процессы, в результате которых энергия Гиббса а) не меняется в) уменьшается б) увеличивается г) достигает максимального значения
35. Для некоторой реакции в газовой фазе при постоянных давлении и температуре ∆ G > 0. В каком направлении эта реакция идет самопроизвольно? а) в прямом б) не может протекать при данных условиях в) в обратном направлении г) находится в состоянии равновесия
36. Для обратимых процессов изменение свободной энергии Гиббса а) всегда равно нулю б) всегда отрицательно в) всегда положительно г) положительно или отрицательно в зависимости от обстоятельств
37. Для необратимых процессов изменение свободной энергии а) всегда равно нулю б) всегда отрицательно в) всегда положительно г) положительно или отрицательно в зависимости от обстоятельств
38. Каков знак ∆ G процесса таяния льда при 263К? а) > 0 в) < 0 б) = 0 г) ≤ 0
39. Калорийность питательных веществ – энергия, которая а) выделяется при полном окислении 1г питательных веществ б) выделяется при полном окислении 1моль питательных веществ в) необходима для полного окисления 1г питательных веществ г) необходима для полного окисления 1моль питательных веществ
40. При гидролизе любого пептида ∆ H< 0 ∆ S> 0. Будет ли данный процесс протекать самопроизвольно? а) будет, т.к. ∆ G > 0 в) будет, т.к. ∆ G < 0 б) не будет, т.к. ∆ G > 0 г) не будет, т.к. ∆ G < 0
41. Для процесса тепловой денатурации ферментов ∆ H> 0 и ∆ S> 0. Будет ли данный процесс протекать самопроизвольно? а) будет при высокой температуре, т.к. |T•∆ S |> |∆ H | б) будет при низкой температуре, т.к. |T•∆ S |< |∆ H | в) не будет, т.к. |T•∆ S |> |∆ H | г) не будет, т.к. |T•∆ S |< |∆ H |
42. Тепловая гидратация многих белков ∆ H< 0 ∆ S< 0. Будет ли данный процесс протекать самопроизвольно а) будет при низких температурах, т.к. |∆ H |> | T•∆ S | б) будет при низких температурах, т.к. |∆ H |< | T•∆ S | в) будет при высоких температурах, т.к. |∆ H |< | T•∆ S | г) не будет ни при каких температурах
43. Фотосинтез – образование глюкозы из углекислого газа и воды, ∆ H > 0 ∆ S< 0. Будет ли данный процесс протекать самопроизвольно а) не будет при любых температурах в) будет при высоких температурах б) будет при любых температурах г) будет при низких температурах.
44. Реакция 3H2(г) + N2(г) → 2NH3(г) проводится при 110°С. Какие из указанных величин сохраняются в ходе реакции а) объем в) энтальпия б) энтропия г) масса
а) в обратном б) в прямом в) состояние равновесия
а) в обратном б) в прямом в) состояние равновесия
47. Стандартная энтальпия образования сахарозы составляет – 2222кДж/моль. Какое уравнение отражает полученное значение.
Расчетные задачи
1. Приведите уравнения реакций, чьи тепловые эффекты являются стандартными энтальпиями образования: а) этилена; б) оксида углерода (II).
2. Используя табличные данные, рассчитайте тепловой эффект следующих реакций и определите, являются они экзо- или эндотермическими.
(если ∆ Н°(О3) = 142 кДж/моль) г) ферментативное окисление этанола пероксидом водорода в присутствии
3. Теплота растворения бромида калия равна 17кДж/моль. Какое количество теплоты поглотится при растворении 23, 8г бромида калия?
4. Используя графическую схему закона Гесса, решите задачи. а) в организме человека этанол окисляется в две стадии: до уксусного альдегида (∆ Н° = -256кДж/моль), а затем до уксусной кислоты (∆ Н° = - 237кДж/моль). Рассчитайте тепловой эффект одностадийного окисления этанола до уксусной кислоты. б) энтальпия растворения безводного сульфата натрия равна -2, 3кДж/моль, а глауберовой соли (кристаллогидрата сульфата натрия) равна -78, 6кДж/моль. Рассчитайте энтальпию гидратации сульфата натрия.
5. Кубик сахара имеет массу 1, 5г. Какова калорийность 2 кубиков рафинада.
7. При сгорании топлива образуется большое количество оксида серы (IV). Возможно ли самопроизвольное окисление его до оксида серы (VI) в стандартных условиях?
8. Оксид азота (I) применяется в медицине как наркотическое средство. Определите, будет ли он в стандартных условиях окисляться кислородом воздуха до оксида азота (II).
9. ∆ Н° гидратации яичного альбумина при 25°С равна -6, 58кДж/моль, ∆ S° = - 9, 5 Дж/моль·К. Оцените возможность протекания реакции.
10. Определите возможность самопроизвольного протекания следующих реакций в заданных условиях. Какой фактор способствует протеканию?
12. Рассчитайте калорийность продуктов питания.
КЛЮЧ К ТЕСТУ
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-24; Просмотров: 3807; Нарушение авторского права страницы
Н2 (Г) + Cl2 (Г) 2НCl (Г)
В системе при постоянной температуре и давлении самопроизвольно могут совершаться только такие процессы, в результате которых уменьшается энергия Гиббса 
N2(Г) + 3H2(Г) 2NH3(Г)
45. Для реакции Н3РО4 + аденозин АДФ + Н2О ∆ G = 14кДж. В каком направлении он протекает самопроизвольно? 
46. Изобарно-изотермический потенциал ферментативной реакции в печени глюкозо-1-фосфат глюкозо-6-фосфат составляет -7, 5кДж. В каком направлении протекает реакция? 
а) С12Н22О11(Т) + 12 О2(Г) 12СО2(Г) + 11Н2О(Ж)
б) 12С(Т) + 11Н2О(Г) С12Н22О11(Т)
в) 12С(Т)+ 11Н2(Г) + 5, 5О2(Г) С12Н22О11(Т)
г) С12Н22О11(ж) С12Н22О11(т)
а) гидрирование ацетилена C2H2(г) + 2H2(г) C2H6(г)
б) горение метана CH4(г) + 2O2(г) 2H2O(г) + CO2(г)
каталазы C2H5OH(ж) + H2O2(ж) CH3COH(г) + 2H2O(ж)
д) образование метана C2H6(г) + H2(г) 2CH4(г)
6. В каком направлении идет реакция 2NO(г) + O2(г) NO2(г) в стандартных условиях? 
а) 4HCl(г) + O2(г) 2Cl2(г) + 2H2O(ж) при 37°С.
б) KClO3(тв) KCl(тв) + O2(г) при 40°С
в) NH4NO3(тв) N2O(г) + 2H2O(г) при 60°С
г) CO(г) + O2(г) CO2(г) при 37°С
11. При какой температуре в системе CO(г) + 2H2(г) CH3OH(ж) наступит равновесие.