Номер 70, страница 300 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.70. Ниже приведены примеры двух необратимых при определённых условиях реакций. Для каждой из этих реакций определите знаки $∆H,$ $∆S\mathit{,}$ $∆G$ при этих условиях. Кратко объясните.

$1) 2{\mathrm{NO}}_{2\left(\mathrm{raз}\right)} ⟶{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_{4\left(\mathrm{raз}\right)}$

$2) {\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{7\left(\mathrm{тв}\right)}\to {\mathrm{N}}_{2\left(\mathrm{raз}\right)}+{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_{3\left(\mathrm{тв}\right)}+4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_{\left(\mathrm{газ}\right)}$

1) $2\text{NO}_{2(\text{газ})} \rightarrow \text{N}_2\text{O}_{4(\text{газ})}$

Для определения знаков термодинамических величин проанализируем данную реакцию.

Изменение энтальпии ($\Delta H$): В ходе реакции из двух отдельных молекул диоксида азота ($NO_2$) образуется одна молекула тетраоксида диазота ($N_2O_4$). Этот процесс сопровождается образованием новой химической связи N-N, связывающей две исходные молекулы. Образование химических связей всегда является экзотермическим процессом, то есть происходит с выделением энергии в виде тепла. Следовательно, изменение энтальпии для этой реакции будет отрицательным.
$\Delta H < 0$.

Изменение энтропии ($\Delta S$): Энтропия является мерой неупорядоченности или хаоса в системе. В данной реакции количество газообразных частиц уменьшается: из 2 молей газа образуется 1 моль газа. Уменьшение числа частиц в системе, особенно в газовой фазе, ведет к уменьшению степени беспорядка. Таким образом, энтропия системы уменьшается.
$\Delta S < 0$.

Изменение энергии Гиббса ($\Delta G$): В условии задачи сказано, что реакция является необратимой при определенных условиях. Необратимость в данном контексте означает, что реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении. Критерием самопроизвольного протекания реакции при постоянном давлении и температуре является отрицательное значение изменения энергии Гиббса.
$\Delta G < 0$.
Связь между этими величинами дается уравнением Гиббса: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$.
Поскольку $\Delta H < 0$ и $\Delta S < 0$, знак $\Delta G$ зависит от температуры. Реакция будет самопроизвольной ($\Delta G < 0$), когда отрицательный энтальпийный член ($\Delta H$) по абсолютной величине будет больше, чем положительный энтропийный член ($-T\Delta S$). Это характерно для невысоких температур. Так как по условию реакция необратима, мы заключаем, что условия таковы, что $\Delta G$ отрицательно.

Ответ: $\Delta H < 0$, $\Delta S < 0$, $\Delta G < 0$.

2) $(\text{NH}_4)_2\text{Cr}_2\text{O}_{7(\text{тв})} \rightarrow \text{N}_{2(\text{газ})} + \text{Cr}_2\text{O}_{3(\text{тв})} + 4\text{H}_2\text{O}_{(\text{газ})}$

Проанализируем данную реакцию разложения.

Изменение энтальпии ($\Delta H$): Реакция разложения дихромата аммония — это знаменитый демонстрационный опыт «Химический вулкан». Реакция протекает с выделением большого количества тепла и света, что однозначно указывает на её экзотермический характер.
$\Delta H < 0$.

Изменение энтропии ($\Delta S$): В левой части уравнения находится 1 моль кристаллического (твердого) вещества, которое имеет высокую степень упорядоченности и, следовательно, низкую энтропию. В правой части уравнения образуются продукты: 1 моль твердого вещества ($Cr_2O_3$), 1 моль газообразного азота ($N_2$) и 4 моля водяного пара ($H_2O$). Итого, из 1 моля твердого вещества образуется 1 моль твердого и 5 молей газообразных веществ. Значительное увеличение количества молей газа приводит к резкому росту беспорядка в системе.
$\Delta S > 0$.

Изменение энергии Гиббса ($\Delta G$): Реакция является необратимой, а значит, самопроизвольной. Следовательно, изменение энергии Гиббса должно быть отрицательным.
$\Delta G < 0$.
Используем уравнение Гиббса для проверки: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$.
Так как $\Delta H < 0$ и $\Delta S > 0$, оба члена в уравнении способствуют отрицательному значению $\Delta G$. Первый член ($\Delta H$) отрицателен, а второй ($-T\Delta S$) также отрицателен (поскольку $T$ в Кельвинах всегда положительна). Таким образом, $\Delta G$ для этой реакции будет отрицательным при любой температуре, что подтверждает её самопроизвольный и необратимый характер.

Ответ: $\Delta H < 0$, $\Delta S > 0$, $\Delta G < 0$.