Номер 74, страница 301 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.74. В некоторой реакции $∆S>0$ и $∆Н<0.$ Выберите верное утверждение.

1) При проведении реакции в изолированном сосуде температура реакционной смеси понижается.

2) При нагревании константа равновесия уменьшается.

3) Реакция является необратимой только при низкой температуре.

4) Это – реакция замещения.

Дано:

Для некоторой химической реакции известно, что изменение энтропии $\Delta S > 0$ и изменение энтальпии $\Delta H < 0$.

Найти:

Выбрать верное утверждение из предложенных вариантов.

Решение:

Проанализируем условия задачи и каждое из предложенных утверждений с точки зрения химической термодинамики.

Критерием самопроизвольного протекания химической реакции при постоянных температуре и давлении является изменение энергии Гиббса ($\Delta G$), которое определяется уравнением:

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

где $T$ – абсолютная температура в Кельвинах. Реакция протекает самопроизвольно, если $\Delta G < 0$.

В нашем случае дано, что $\Delta H < 0$ (реакция экзотермическая) и $\Delta S > 0$ (энтропия системы возрастает). Подставим знаки в уравнение:

$\Delta G = (\text{отрицательное значение}) - T \cdot (\text{положительное значение})$

Поскольку температура $T$ всегда положительна ($T > 0$ K), второе слагаемое ($-T\Delta S$) всегда будет отрицательным. Таким образом, $\Delta G$ представляет собой сумму двух отрицательных чисел, и, следовательно, $\Delta G$ будет всегда меньше нуля ($\Delta G < 0$) при любой температуре. Это означает, что данная реакция является самопроизвольной при любых температурах.

Теперь рассмотрим каждое утверждение.

1) При проведении реакции в изолированном сосуде температура реакционной смеси понижается.

Условие $\Delta H < 0$ означает, что реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла в окружающую среду. Если реакцию проводить в изолированном сосуде (адиабатические условия), то теплообмен с внешней средой отсутствует ($q=0$). Вся выделяемая в ходе реакции теплота поглощается продуктами реакции и самой реакционной системой, что приводит к повышению ее температуры. Следовательно, данное утверждение неверно.

Ответ: Утверждение неверно.

2) При нагревании константа равновесия уменьшается.

Влияние температуры на константу равновесия ($K$) описывается принципом Ле Шателье и количественно выражается уравнением изобары Вант-Гоффа:

$\frac{d(\ln K)}{dT} = \frac{\Delta H^\circ}{RT^2}$

Поскольку реакция экзотермическая ($\Delta H < 0$), правая часть уравнения всегда будет отрицательной ($R$ и $T^2$ всегда положительны). Это означает, что производная натурального логарифма константы равновесия по температуре отрицательна. Следовательно, с увеличением температуры ($T$) значение $\ln K$, а значит и сама константа равновесия $K$, будет уменьшаться. Согласно принципу Ле Шателье, для экзотермической реакции повышение температуры смещает равновесие влево, в сторону реагентов, что соответствует уменьшению константы равновесия. Таким образом, данное утверждение верно.

Ответ: Утверждение верно.

3) Реакция является необратимой только при низкой температуре.

Как было показано в начальном анализе, для данной реакции $\Delta G$ всегда отрицательно при любой температуре, так как $\Delta G = \Delta H - T\Delta S < 0$ при $\Delta H < 0$ и $\Delta S > 0$. Это значит, что реакция является самопроизвольной (термодинамически выгодной) при всех температурах, а не только при низких. Утверждение, что она необратима *только* при низкой температуре, некорректно. Напротив, она самопроизвольна всегда.

Ответ: Утверждение неверно.

4) Это — реакция замещения.

Термодинамические характеристики реакции ($\Delta H$ и $\Delta S$) не дают информации о ее механизме или типе (замещение, соединение, разложение, обмен и т.д.). Реакции совершенно разных типов могут иметь одинаковые знаки изменений энтальпии и энтропии. Например, горение водорода ($2H_2(г) + O_2(г) \rightarrow 2H_2O(г)$) является экзотермическим, но сопровождается уменьшением энтропии, в то время как разложение пероксида водорода ($2H_2O_2(ж) \rightarrow 2H_2O(ж) + O_2(г)$) является экзотермическим и приводит к росту энтропии. Без знания конкретных реагентов и продуктов невозможно определить тип реакции. Следовательно, данное утверждение является необоснованным.

Ответ: Утверждение неверно.

Проанализировав все варианты, мы установили, что единственным верным утверждением является второе.

Ответ: 2