Номер 4, страница 282 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 60. Энергия Гиббса и критерии самопроизвольности химических реакций. Глава 6. Теоретическое описание химических реакций - номер 4, страница 282.

Условие.

4*. Используя таблицу 13, определите, какие из перечисленных промышленно важных реакций возможны только при высокой, а какие — и при низкой температуре:

a) $CH_{4\text{(г)}} + H_{2}O_{\text{(г)}} = CO_{\text{(г)}} + 3H_{2\text{(г)}}, Q < 0$ (получение водорода из природного газа);

б) $8CO_{\text{(г)}} + 17H_{2\text{(г)}} = C_{8}H_{18\text{(г)}} + 8H_{2}O_{\text{(г)}}, Q < 0$ (способ получения синтетического бензина);

в) $2SO_{2\text{(г)}} + O_{2\text{(г)}} = 2SO_{3\text{(ж)}}, Q > 0$ (одна из стадий производства серной кислоты);

г) $C_{8}H_{18\text{(г)}} = 3C_{2}H_{4\text{(г)}} + C_{2}H_{6\text{(г)}}, Q < 0$ (получение этилена пиролизом нефти).

Решение.

Решение 2.

Для определения условий, при которых химическая реакция возможна (протекает самопроизвольно), используется уравнение изменения энергии Гиббса:

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

Реакция термодинамически возможна, если изменение энергии Гиббса отрицательно, то есть $\Delta G < 0$. В этом уравнении:

• $\Delta H$ – это изменение энтальпии. Если реакция экзотермическая (с выделением тепла, $Q > 0$), то $\Delta H < 0$. Если реакция эндотермическая (с поглощением тепла, $Q < 0$), то $\Delta H > 0$.
• $\Delta S$ – это изменение энтропии, которая является мерой неупорядоченности системы. Энтропия увеличивается ($\Delta S > 0$), если в ходе реакции возрастает число молей газообразных веществ. Энтропия уменьшается ($\Delta S < 0$), если число молей газа падает.
• $T$ – это абсолютная температура в Кельвинах ($T > 0$).

Проанализируем каждую реакцию:

а) CH₄(г) + H₂O(г) = CO(г) + 3H₂(г), Q < 0 (получение водорода из природного газа)

В данной реакции $Q < 0$, следовательно, она эндотермическая, и $\Delta H > 0$.

Оценим изменение энтропии. Количество молей газа у реагентов: $1 + 1 = 2$ моль. Количество молей газа у продуктов: $1 + 3 = 4$ моль. Число молей газа увеличивается, значит, энтропия растет, $\Delta S > 0$.

Подставим знаки в уравнение Гиббса: $\Delta G = (\text{+}) - T \cdot (\text{+})$. Чтобы $\Delta G$ было меньше нуля, необходимо, чтобы вычитаемое $T\Delta S$ было больше, чем $\Delta H$. Это достигается при высокой температуре $T$.

Ответ: Реакция возможна только при высокой температуре.

б) 8CO(г) + 17H₂(г) = C₈H₁₈(г) + 8H₂O(г), Q < 0 (способ получения синтетического бензина)

В условии указано $Q < 0$, что соответствует эндотермической реакции ($\Delta H > 0$).

Оценим изменение энтропии. Количество молей газа у реагентов: $8 + 17 = 25$ моль. Количество молей газа у продуктов: $1 + 8 = 9$ моль. Число молей газа уменьшается, следовательно, энтропия тоже уменьшается, $\Delta S < 0$.

Подставим знаки: $\Delta G = (\text{+}) - T \cdot (\text{-}) = (\text{+}) + (\text{+})$. В этом случае $\Delta G$ всегда будет положительным, и реакция невозможна ни при какой температуре. Однако синтез бензина (процесс Фишера-Тропша) является промышленно важным и экзотермическим процессом. Вероятнее всего, в условии допущена опечатка, и должно быть $Q > 0$, а значит, $\Delta H < 0$.

Примем, что $\Delta H < 0$ и $\Delta S < 0$. Тогда уравнение Гиббса: $\Delta G = (\text{-}) - T \cdot (\text{-}) = (\text{-}) + T \cdot (\text{+})$. Чтобы $\Delta G$ было отрицательным, энтальпийный фактор ($\Delta H$) должен по модулю превосходить энтропийный ($T\Delta S$). Это условие выполняется при низкой температуре $T$.

Ответ: Реакция возможна при низкой температуре (исходя из предположения, что в условии опечатка и реакция экзотермическая).

в) 2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃(ж), Q > 0 (одна из стадий производства серной кислоты)

В данной реакции $Q > 0$, следовательно, она экзотермическая, и $\Delta H < 0$.

Оценим изменение энтропии. Количество молей газа у реагентов: $2 + 1 = 3$ моль. В продуктах образуется жидкость (2 моль SO₃(ж)), газообразных веществ нет. Происходит резкое уменьшение неупорядоченности системы, так как газы превращаются в жидкость. Следовательно, энтропия сильно уменьшается, $\Delta S < 0$.

Подставим знаки в уравнение: $\Delta G = (\text{-}) - T \cdot (\text{-}) = (\text{-}) + T \cdot (\text{+})$. Чтобы $\Delta G$ было отрицательным, необходимо, чтобы отрицательный энтальпийный фактор преобладал. Это возможно при низкой температуре $T$.

Ответ: Реакция возможна и при низкой температуре.

г) C₈H₁₈(г) = 3C₂H₄(г) + C₂H₆(г), Q < 0 (получение этилена пиролизом нефти)

В данной реакции $Q < 0$ (пиролиз — это процесс разложения, который всегда требует энергии), следовательно, она эндотермическая, и $\Delta H > 0$.

Оценим изменение энтропии. Количество молей газа у реагентов: $1$ моль. Количество молей газа у продуктов: $3 + 1 = 4$ моль. Число молей газа возрастает, значит, энтропия увеличивается, $\Delta S > 0$.

Подставим знаки в уравнение Гиббса: $\Delta G = (\text{+}) - T \cdot (\text{+})$. Чтобы $\Delta G$ стало отрицательным, необходимо, чтобы энтропийный фактор $T\Delta S$ был по модулю больше энтальпийного $\Delta H$. Это условие выполняется при высокой температуре $T$.

Ответ: Реакция возможна только при высокой температуре.