Номер 71, страница 300 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.71. Предскажите, какой фактор – энтальпийный или энтропийный – будет определять направление реакции ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_{4\left(\mathrm{r}\right)}=2{\mathrm{NO}}_{2\left(\mathrm{r}\right)}$ при высокой температуре. Объясните.

Решение

Направление химической реакции и положение равновесия определяются знаком изменения энергии Гиббса ($\Delta G$), которое связано с изменением энтальпии ($\Delta H$) и изменением энтропии ($\Delta S$) через уравнение Гиббса-Гельмгольца:

$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$

где $T$ — абсолютная температура. Реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении, если $\Delta G < 0$. Давайте проанализируем энтальпийный и энтропийный факторы для реакции диссоциации тетраоксида диазота:

$N_2O_{4(г)} \rightleftharpoons 2NO_{2(г)}$

1. Энтальпийный фактор ($\Delta H$)

Прямая реакция — это процесс разрыва химической связи в молекуле $N_2O_4$. Разрыв связей всегда требует поглощения энергии, поэтому эта реакция является эндотермической. Это означает, что изменение энтальпии для нее положительно: $\Delta H > 0$. Энтальпийный фактор неблагоприятен для протекания прямой реакции, так как он вносит положительный вклад в величину $\Delta G$, затрудняя самопроизвольное протекание процесса.

2. Энтропийный фактор ($\Delta S$)

Энтропия является мерой неупорядоченности системы. В ходе прямой реакции из 1 моля газообразного вещества ($N_2O_4$) образуется 2 моля газообразных веществ ($2NO_2$). Увеличение числа молей газа приводит к значительному росту беспорядка в системе. Следовательно, изменение энтропии в ходе этой реакции положительно: $\Delta S > 0$. Энтропийный фактор благоприятствует протеканию прямой реакции, так как член $-T\Delta S$ в уравнении для энергии Гиббса будет отрицательным.

Влияние температуры

Теперь рассмотрим, как температура влияет на соотношение этих двух факторов. В уравнении $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ член, связанный с энтропией ($-T\Delta S$), прямо пропорционален температуре.

При низких температурах значение члена $T\Delta S$ мало, и знак $\Delta G$ определяется в основном знаком $\Delta H$. Поскольку $\Delta H > 0$, то и $\Delta G > 0$, и равновесие смещено влево, в сторону реагентов ($N_2O_4$).

При высоких температурах значение члена $T\Delta S$ становится большим. Поскольку $\Delta S > 0$, член $-T\Delta S$ становится большим отрицательным числом, и его вклад в $\Delta G$ становится доминирующим. В какой-то момент он "перевешивает" положительный вклад $\Delta H$:

$|-T\Delta S| > \Delta H$

В результате общее значение $\Delta G$ становится отрицательным ($\Delta G < 0$), что делает прямую реакцию самопроизвольной. Равновесие смещается вправо, в сторону продуктов ($NO_2$).

Таким образом, при высокой температуре именно энтропийный фактор определяет направление реакции.

Ответ: При высокой температуре направление реакции $N_2O_{4(г)} \rightleftharpoons 2NO_{2(г)}$ будет определять энтропийный фактор. Это связано с тем, что реакция сопровождается увеличением числа молей газа и, следовательно, ростом энтропии ($\Delta S > 0$). При высокой температуре вклад энтропийного члена ($-T\Delta S$) в уравнение энергии Гиббса становится доминирующим и обеспечивает самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении, несмотря на ее эндотермичность ($\Delta H > 0$).