Номер 61, страница 299 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.61. Укажите все химические реакции, которые происходят с увеличением энтропии: 1) растворение меди в азотной кислоте; 2) взаимодействие хлора с раствором щёлочи; 3) электролиз раствора хлорида натрия; 4) спиртовое брожение глюкозы; 5) синтез бензина из синтез-газа.

Энтропия ($S$) является термодинамической функцией состояния, характеризующей степень беспорядка или хаоса в системе. Процессы протекают самопроизвольно в сторону увеличения энтропии Вселенной. Для химической реакции изменение энтропии ($ΔS$) будет положительным ($ΔS > 0$), то есть энтропия системы будет увеличиваться, в следующих основных случаях:

• Увеличивается количество молей газообразных веществ. Газы имеют значительно большую энтропию по сравнению с жидкостями и твердыми телами из-за высокой подвижности и хаотичности движения их молекул.
• Происходит фазовый переход из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное (например, плавление: твердое → жидкое; кипение: жидкое → газообразное; сублимация: твердое → газообразное).
• Увеличивается общее количество частиц в системе, например, при диссоциации или распаде сложных молекул на более простые.
• Происходит растворение твердого вещества (кристаллическая решетка разрушается, ионы или молекулы переходят в раствор).

Проанализируем каждую из предложенных реакций.

1) растворение меди в азотной кислоте

Реакция меди с азотной кислотой является окислительно-восстановительной. В зависимости от концентрации кислоты образуются разные газообразные продукты.
При реакции с концентрированной азотной кислотой: $Cu_{(тв)} + 4HNO_{3(конц., р-р)} \rightarrow Cu(NO_3)_{2(р-р)} + 2NO_{2(г)} \uparrow + 2H_2O_{(ж)}$
При реакции с разбавленной азотной кислотой: $3Cu_{(тв)} + 8HNO_{3(разб., р-р)} \rightarrow 3Cu(NO_3)_{2(р-р)} + 2NO_{(г)} \uparrow + 4H_2O_{(ж)}$
В обеих реакциях из твердого вещества (медь) и раствора кислоты образуются газообразные оксиды азота ($NO_2$ или $NO$). Выделение газа из твердого и жидких реагентов приводит к резкому увеличению беспорядка в системе. Следовательно, изменение энтропии для этого процесса положительно ($ΔS > 0$).
Ответ: реакция происходит с увеличением энтропии.

2) взаимодействие хлора с раствором щёлочи

Хлор, будучи газом, реагирует с водным раствором щелочи, например, гидроксида натрия. Это реакция диспропорционирования.
На холоде: $Cl_{2(г)} + 2NaOH_{(р-р)} \rightarrow NaCl_{(р-р)} + NaClO_{(р-р)} + H_2O_{(ж)}$
При нагревании: $3Cl_{2(г)} + 6NaOH_{(р-р)} \rightarrow 5NaCl_{(р-р)} + NaClO_{3(р-р)} + 3H_2O_{(ж)}$
В обоих случаях газообразный реагент ($Cl_2$) расходуется, а продуктами являются вещества в растворе и жидкая вода. Уменьшение количества молей газа в системе (с 1 или 3 до 0) приводит к увеличению порядка. Следовательно, энтропия системы уменьшается ($ΔS < 0$).
Ответ: реакция происходит с уменьшением энтропии.

3) электролиз раствора хлорида натрия

При электролизе водного раствора хлорида натрия происходит разложение воды и хлорида натрия под действием электрического тока. Суммарное уравнение процесса:
$2NaCl_{(р-р)} + 2H_2O_{(ж)} \xrightarrow{электролиз} 2NaOH_{(р-р)} + H_{2(г)} \uparrow + Cl_{2(г)} \uparrow$
Из реагентов, находящихся в растворе ($NaCl$) и в жидкой фазе ($H_2O$), образуются два газообразных продукта — водород ($H_2$) и хлор ($Cl_2$). Количество молей газообразных веществ увеличивается с нуля до двух. Это ведет к значительному росту неупорядоченности системы, и энтропия увеличивается ($ΔS > 0$).
Ответ: реакция происходит с увеличением энтропии.

4) спиртовое брожение глюкозы

Спиртовое брожение — это биохимический процесс превращения глюкозы в этанол и диоксид углерода.
$C_6H_{12}O_{6(р-р)} \rightarrow 2C_2H_5OH_{(р-р)} + 2CO_{2(г)} \uparrow$
В этой реакции, во-первых, из растворенного вещества ($C_6H_{12}O_6$) образуется газообразный продукт ($CO_2$). Во-вторых, одна сложная молекула глюкозы распадается на четыре более простые частицы (две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода). Оба эти фактора способствуют увеличению энтропии ($ΔS > 0$).
Ответ: реакция происходит с увеличением энтропии.

5) синтез бензина из синтез-газа

Синтез-газ — это смесь газообразных монооксида углерода ($CO$) и водорода ($H_2$). Бензин — это смесь жидких углеводородов. Процесс их синтеза (процесс Фишера-Тропша) можно описать на примере образования октана $C_8H_{18}$:
$8CO_{(г)} + 17H_{2(г)} \rightarrow C_8H_{18(ж)} + 8H_2O_{(ж)}$
В ходе этой реакции из 25 молей газообразных реагентов ($8+17=25$) образуются жидкие продукты. Происходит резкое уменьшение количества молей газа (с 25 до 0), что соответствует переходу системы в более упорядоченное состояние. Следовательно, энтропия значительно уменьшается ($ΔS < 0$).
Ответ: реакция происходит с уменьшением энтропии.

Таким образом, реакции, которые происходят с увеличением энтропии, — это растворение меди в азотной кислоте (1), электролиз раствора хлорида натрия (3) и спиртовое брожение глюкозы (4).