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.

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).

11.62. Укажите все химические реакции, которые происходят с увеличением энтропии: 1) растворение алюминия в растворе щёлочи; 2) окисление водорода кислородом в топливном элементе; 3) маслянокислое брожение глюкозы; 4) взаимодействие аммиака и хлороводорода; 5) высокотемпературный крекинг декана.

Энтропия ($S$) является термодинамической функцией состояния, используемой для измерения беспорядка или хаоса в системе. Процессы, в которых беспорядок увеличивается, характеризуются положительным изменением энтропии ($ΔS > 0$). Для химических реакций увеличение энтропии, как правило, наблюдается в следующих случаях:

• при увеличении числа молей газообразных веществ в результате реакции;
• при переходе веществ из твердого или жидкого состояния в газообразное;
• при реакциях разложения, когда из одной сложной молекулы образуется несколько более простых;
• при растворении твердых веществ в жидкостях.

Рассмотрим каждый из предложенных процессов:

1) растворение алюминия в растворе щёлочи
Уравнение химической реакции: $2\text{Al}(\text{т}) + 2\text{NaOH}(\text{р-р}) + 6\text{H}_2\text{O}(\text{ж}) \rightarrow 2\text{Na}[\text{Al}(\text{OH})_4](\text{р-р}) + 3\text{H}_2(\text{г})$.В данной реакции из твердого металла (алюминия) и жидких реагентов (раствор щелочи и вода) образуется газообразный водород. Появление газа, который имеет значительно большую энтропию по сравнению с твердыми и жидкими веществами, ведет к общему увеличению беспорядка в системе. Число молей газа увеличивается с 0 до 3. Следовательно, изменение энтропии для этой реакции положительно ($ΔS > 0$).
Ответ: реакция происходит с увеличением энтропии.

2) окисление водорода кислородом в топливном элементе
Уравнение химической реакции: $2\text{H}_2(\text{г}) + \text{O}_2(\text{г}) \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}(\text{ж})$.В этом процессе 3 моль газообразных веществ (2 моль водорода и 1 моль кислорода) превращаются в 2 моль жидкой воды. Происходит уменьшение общего количества молей газа ($Δn_{газ} = 0 - 3 = -3$), а также переход из менее упорядоченного газообразного состояния в более упорядоченное жидкое. Это приводит к значительному уменьшению энтропии системы ($ΔS < 0$).
Ответ: реакция происходит с уменьшением энтропии.

3) маслянокислое брожение глюкозы
Уравнение химической реакции: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6(\text{р-р}) \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH}(\text{р-р}) + 2\text{CO}_2(\text{г}) + 2\text{H}_2(\text{г})$.В результате этой биохимической реакции из одной молекулы глюкозы, находящейся в растворе, образуется одна молекула масляной кислоты в растворе и, что ключевое, 4 моль газообразных продуктов (диоксид углерода и водород). Увеличение числа частиц в системе (из 1 молекулы реагента образуется 5 молекул продуктов) и образование значительного объема газа приводит к резкому увеличению беспорядка. Таким образом, энтропия системы возрастает ($ΔS > 0$).
Ответ: реакция происходит с увеличением энтропии.

4) взаимодействие аммиака и хлороводорода
Уравнение химической реакции: $\text{NH}_3(\text{г}) + \text{HCl}(\text{г}) \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}(\text{т})$.Эта реакция представляет собой соединение двух газообразных молекул в одну формульную единицу твердого кристаллического вещества. Происходит уменьшение числа молей газа (с 2 до 0) и образование высокоупорядоченной твердой фазы из газов. Это классический пример процесса, идущего со значительным уменьшением энтропии ($ΔS < 0$).
Ответ: реакция происходит с уменьшением энтропии.

5) высокотемпературный крекинг декана
Крекинг – это процесс термического или каталитического разложения углеводородов с длинной цепью на более короткие. Например, крекинг декана может протекать по схеме: $\text{C}_{10}\text{H}_{22}(\text{г}) \rightarrow \text{C}_5\text{H}_{12}(\text{г}) + \text{C}_5\text{H}_{10}(\text{г})$.В ходе этой реакции одна крупная молекула газа распадается на две (или более) меньшие молекулы газа. Увеличение общего числа молей газообразных веществ (в приведенном примере с 1 до 2) ведет к увеличению числа возможных микросостояний системы, а значит, и к увеличению энтропии ($ΔS > 0$).
Ответ: реакция происходит с увеличением энтропии.

Таким образом, реакции, которые сопровождаются увеличением энтропии, — это реакции под номерами 1, 3 и 5.

11.63. Укажите все химические реакции, которые происходят с уменьшением энтропии: 1) гидролиз пептида; 2) гидрирование непредельного жира; 3) взаимодействие аммиака с серной кислотой; 4) синтез азотной кислоты из диоксида азота; 5) растворение углерода в серной кислоте.

Энтропия ($S$) является мерой неупорядоченности или хаоса системы. Реакции происходят с уменьшением энтропии ($ \Delta S < 0 $), если продукты реакции более упорядочены, чем исходные вещества. Как правило, энтропия уменьшается при уменьшении числа молей газообразных веществ, при переходе из газообразного или жидкого состояния в твердое, а также при образовании более сложных и крупных молекул из более простых и мелких.

1) гидролиз пептида

Гидролиз пептида — это реакция расщепления большой полимерной молекулы на более мелкие молекулы аминокислот. Например, для дипептида:

Пептид(р-р) + H₂O(ж) → 2 Аминокислоты(р-р)

В ходе этой реакции увеличивается общее число частиц в растворе, что приводит к росту беспорядка. Следовательно, энтропия системы увеличивается ($ \Delta S > 0 $).

Ответ: энтропия увеличивается.

2) гидрирование непредельного жира

Гидрирование — это присоединение водорода к молекулам непредельных жиров, которые обычно являются жидкостями. В результате образуются насыщенные жиры, часто твердые. Схематически реакцию можно записать так:

Непредельный жир(ж) + nH₂(г) → Предельный жир(т)

В этой реакции расходуется газообразный водород ($H_2$), а жидкое вещество может превращаться в твердое. Уменьшение количества молей газа ($ \Delta n_{газ} < 0 $) является доминирующим фактором, который ведет к значительному уменьшению неупорядоченности. Следовательно, энтропия уменьшается ($ \Delta S < 0 $).

Ответ: энтропия уменьшается.

3) взаимодействие аммиака с серной кислотой

Эта реакция представляет собой взаимодействие газообразного аммиака с жидкой серной кислотой с образованием твердого сульфата аммония.

$2NH_{3}(г) + H_{2}SO_{4}(ж) \rightarrow (NH_{4})_{2}SO_{4}(т)$

В ходе реакции из двух молей газа и одного моля жидкости образуется один моль твердого вещества. Количество молей газа уменьшается с 2 до 0 ($ \Delta n_{газ} = -2 $). Такой переход из газообразного и жидкого состояний в твердое приводит к сильному упорядочиванию системы. Следовательно, энтропия уменьшается ($ \Delta S < 0 $).

Ответ: энтропия уменьшается.

4) синтез азотной кислоты из диоксида азота

Процесс получения азотной кислоты из диоксида азота, кислорода и воды описывается уравнением:

$4NO_{2}(г) + O_{2}(г) + 2H_{2}O(ж) \rightarrow 4HNO_{3}(р-р)$

В левой части уравнения находятся 5 молей газов (4 моля $NO_2$ и 1 моль $O_2$), а в правой части газообразные вещества отсутствуют. Происходит значительное уменьшение числа молей газов ($ \Delta n_{газ} = 0 - 5 = -5 $). Превращение газов в раствор приводит к резкому уменьшению беспорядка. Следовательно, энтропия уменьшается ($ \Delta S < 0 $).

Ответ: энтропия уменьшается.

5) растворение углерода в серной кислоте

В данном случае происходит не физическое растворение, а окислительно-восстановительная реакция твердого углерода с концентрированной серной кислотой.

$C(т) + 2H_{2}SO_{4}(конц.) \rightarrow CO_{2}(г) + 2SO_{2}(г) + 2H_{2}O(ж)$

Из твердого и жидкого реагентов образуются три моля газообразных продуктов ($CO_2$ и $SO_2$). Увеличение числа молей газа ($ \Delta n_{газ} = +3 $) приводит к значительному увеличению хаоса в системе. Следовательно, энтропия увеличивается ($ \Delta S > 0 $).

Ответ: энтропия увеличивается.

Таким образом, реакции, которые происходят с уменьшением энтропии, — это 2, 3 и 4.

11.64. Какие из перечисленных реакций протекают с увеличением энтропии?

$1) {\mathrm{CH}}_4(\mathrm{г})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{г}) = \mathrm{CO}(\mathrm{г})+3{\mathrm{H}}_2(\mathrm{г})$

$2) 8\mathrm{CO}(\mathrm{г})+17{\mathrm{H}}_2(\mathrm{г}) = {\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}(\mathrm{г})+8{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{г})$

$3) 2{\mathrm{SO}}_2(\mathrm{r})+{\mathrm{O}}_2(\mathrm{г}) = 2{\mathrm{SO}}_3(\mathrm{ж})$

$4) {\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}(\mathrm{г}) = 3{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4(\mathrm{г})+{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6(\mathrm{г})$

Дано:

1) $CH_4(г) + H_2O(г) = CO(г) + 3H_2(г)$
2) $8CO(г) + 17H_2(г) = C_8H_{18}(г) + 8H_2O(г)$
3) $2SO_2(г) + O_2(г) = 2SO_3(ж)$
4) $C_8H_{18}(г) = 3C_2H_4(г) + C_2H_6(г)$

Найти:

Какие из перечисленных реакций протекают с увеличением энтропии ($ \Delta S > 0 $)?

Решение:

Энтропия ($S$) является мерой неупорядоченности или хаотичности системы. Знак изменения энтропии ($ \Delta S $) для химической реакции можно предсказать, оценивая изменение числа молей газообразных веществ. Если в ходе реакции число молей газа увеличивается, то энтропия системы возрастает ($ \Delta S > 0 $). Если число молей газа уменьшается или происходит переход из газообразного состояния в жидкое или твердое, энтропия системы убывает ($ \Delta S < 0 $). Проанализируем каждую реакцию.

1) $CH_4(г) + H_2O(г) = CO(г) + 3H_2(г)$

Сумма молей газообразных реагентов: $n_{реагентов} = 1 \text{ моль } CH_4 + 1 \text{ моль } H_2O = 2$ моля.
Сумма молей газообразных продуктов: $n_{продуктов} = 1 \text{ моль } CO + 3 \text{ моль } H_2 = 4$ моля.
Изменение числа молей газа: $\Delta n_g = n_{продуктов} - n_{реагентов} = 4 - 2 = 2$ моля.
Так как число молей газа увеличивается ($\Delta n_g > 0$), энтропия системы возрастает.

Ответ: реакция протекает с увеличением энтропии.

2) $8CO(г) + 17H_2(г) = C_8H_{18}(г) + 8H_2O(г)$

Сумма молей газообразных реагентов: $n_{реагентов} = 8 \text{ моль } CO + 17 \text{ моль } H_2 = 25$ молей.
Сумма молей газообразных продуктов: $n_{продуктов} = 1 \text{ моль } C_8H_{18} + 8 \text{ моль } H_2O = 9$ молей.
Изменение числа молей газа: $\Delta n_g = n_{продуктов} - n_{реагентов} = 9 - 25 = -16$ молей.
Так как число молей газа уменьшается ($\Delta n_g < 0$), энтропия системы убывает.

Ответ: реакция протекает с уменьшением энтропии.

3) $2SO_2(г) + O_2(г) = 2SO_3(ж)$

Сумма молей газообразных реагентов: $n_{реагентов} = 2 \text{ моль } SO_2 + 1 \text{ моль } O_2 = 3$ моля.
Сумма молей газообразных продуктов: $n_{продуктов} = 0$ молей (продукт находится в жидком состоянии).
Изменение числа молей газа: $\Delta n_g = n_{продуктов} - n_{реагентов} = 0 - 3 = -3$ моля.
Происходит как уменьшение числа молей газа, так и переход веществ из газообразного состояния в жидкое. Оба фактора приводят к значительному уменьшению энтропии.

Ответ: реакция протекает с уменьшением энтропии.

4) $C_8H_{18}(г) = 3C_2H_4(г) + C_2H_6(г)$

Количество молей газообразных реагентов: $n_{реагентов} = 1$ моль $C_8H_{18}$.
Сумма молей газообразных продуктов: $n_{продуктов} = 3 \text{ моль } C_2H_4 + 1 \text{ моль } C_2H_6 = 4$ моля.
Изменение числа молей газа: $\Delta n_g = n_{продуктов} - n_{реагентов} = 4 - 1 = 3$ моля.
Так как число молей газа увеличивается ($\Delta n_g > 0$), энтропия системы возрастает.

Ответ: реакция протекает с увеличением энтропии.