Номер 60, страница 299 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.60. В какой из перечисленных ниже реакций изменение энтропии: а) наибольшее, б) наименьшее? Кратко объясните.

$1) {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{4\left(\mathrm{газ}\right)}+{\mathrm{Н}}_{2\left(\mathrm{газ}\right)} \rightleftarrows {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6\left(\mathrm{газ}\right)}$

$2) 2{\mathrm{CH}}_{4\left(\mathrm{газ}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{C}}_2{\mathrm{Н}}_{2\left(\mathrm{газ}\right)} + 3{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{газ}\right)}$

$3) 3{\mathrm{Fe}}_{\left(\mathrm{тв}\right)}+4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{газ}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_{4\left(\mathrm{тв}\right)}+4{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{газ}\right)}$

$4) {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{ж}\right)}\rightleftarrows {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{газ}\right)}$

Энтропия ($S$) является мерой неупорядоченности или хаотичности системы. Для качественной оценки изменения энтропии ($\Delta S$) в ходе химической реакции, как правило, анализируют изменение агрегатного состояния веществ и, что наиболее важно, изменение количества молей газообразных веществ ($\Delta n_{\text{газ}}$), так как энтропия газов значительно выше энтропии жидкостей и твердых тел. Общий принцип: $S_{\text{газ}} \gg S_{\text{жидкость}} > S_{\text{твердое}}$.

Проанализируем изменение числа молей газообразных веществ для каждой реакции:

1. $C_2H_{4(\text{газ})} + H_{2(\text{газ})} \rightleftharpoons C_2H_{6(\text{газ})}$
   Из 2 молей газообразных реагентов (1 моль $C_2H_4$ и 1 моль $H_2$) образуется 1 моль газообразного продукта. Изменение числа молей газа $\Delta n_{\text{газ}} = 1 - 2 = -1$. Уменьшение числа частиц газа ведет к значительному уменьшению энтропии ($\Delta S < 0$).

2. $2CH_{4(\text{газ})} \rightleftharpoons C_2H_{2(\text{газ})} + 3H_{2(\text{газ})}$
   Из 2 молей газообразного реагента образуется 4 моля газообразных продуктов (1 моль $C_2H_2$ и 3 моль $H_2$). Изменение числа молей газа $\Delta n_{\text{газ}} = 4 - 2 = +2$. Значительное увеличение числа частиц газа ведет к существенному росту энтропии ($\Delta S > 0$).

3. $3Fe_{(\text{тв})} + 4H_2O_{(\text{газ})} \rightleftharpoons Fe_3O_{4(\text{тв})} + 4H_{2(\text{газ})}$
   Число молей газообразных веществ не изменяется: 4 моля газа в реагентах и 4 моля в продуктах. Изменение числа молей газа $\Delta n_{\text{газ}} = 4 - 4 = 0$. В этом случае изменение энтропии будет относительно небольшим и будет зависеть от разницы в энтропиях участников реакции. Энтропия более сложной молекулы водяного пара ($H_2O$) выше, чем у водорода ($H_2$), поэтому можно ожидать небольшого уменьшения энтропии.

4. $H_2O_{(\text{ж})} \rightleftharpoons H_2O_{(\text{газ})}$
   Происходит фазовый переход жидкости в газ. Это всегда сопровождается значительным увеличением энтропии, так как частицы в газовой фазе обладают гораздо большей свободой движения. Изменение числа молей газа $\Delta n_{\text{газ}} = 1 - 0 = +1$. Энтропия значительно увеличивается ($\Delta S > 0$).

а) наибольшее

Наибольшее увеличение энтропии ($\Delta S$ имеет максимальное положительное значение) будет в той реакции, где наблюдается наибольший прирост числа молей газообразных веществ. Сравнивая реакции 2 ($\Delta n_{\text{газ}} = +2$) и 4 ($\Delta n_{\text{газ}} = +1$), мы видим, что в реакции 2 происходит наибольшее увеличение количества молей газа.

Ответ: наибольшее изменение (увеличение) энтропии наблюдается в реакции 2: $2CH_{4(\text{газ})} \rightleftharpoons C_2H_{2(\text{газ})} + 3H_{2(\text{газ})}$, так как в результате реакции число молей газа увеличивается на 2 ($\Delta n_{\text{газ}} = +2$), что является максимальным приростом среди всех представленных реакций.

б) наименьшее

Наименьшее изменение энтропии ($\Delta S$ имеет минимальное, то есть наиболее отрицательное, значение) будет в реакции, где происходит наибольшее уменьшение числа молей газообразных веществ. В реакции 1 число молей газа уменьшается ($\Delta n_{\text{газ}} = -1$), что приводит к значительному падению энтропии. В реакции 3, где $\Delta n_{\text{газ}} = 0$, уменьшение энтропии будет менее выраженным.

Ответ: наименьшее изменение (наибольшее уменьшение) энтропии наблюдается в реакции 1: $C_2H_{4(\text{газ})} + H_{2(\text{газ})} \rightleftharpoons C_2H_{6(\text{газ})}$, так как в ходе этой реакции число молей газа уменьшается ($\Delta n_{\text{газ}} = -1$), что ведет к самому значительному снижению неупорядоченности системы.