Номер 9, страница 304 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 64. Химическое равновесие. Константа равновесия. Глава 6. Теоретическое описание химических реакций - номер 9, страница 304.

Условие.

9. Константа равновесия превращения алмаза в графит при комнатной температуре больше единицы: $K = 3,2$. Почему же эта реакция не происходит на самом деле?

Решение.

Решение 2.

Данное явление объясняется различием между термодинамической возможностью реакции и ее реальной скоростью, которая определяется кинетическими факторами.

С точки зрения термодинамики, реакция превращения алмаза в графит, $C_{(алмаз)} \rightleftharpoons C_{(графит)}$, характеризуется константой равновесия $K = 3,2$. Связь между константой равновесия и изменением стандартной энергии Гиббса ($\Delta G^\circ$) выражается формулой:

$\Delta G^\circ = -RT \ln K$

Поскольку константа равновесия больше единицы ($K > 1$), то ее натуральный логарифм ($\ln K$) является положительной величиной. Следовательно, изменение энергии Гиббса будет отрицательным ($\Delta G^\circ < 0$). Отрицательное значение $\Delta G^\circ$ указывает на то, что процесс является самопроизвольным. Это означает, что при комнатной температуре и стандартном давлении графит — более стабильная аллотропная модификация углерода, чем алмаз, и химическое равновесие смещено в сторону образования графита.

Однако с точки зрения кинетики, для того чтобы реакция началась, молекулам (в данном случае атомам) необходимо преодолеть энергетический барьер, называемый энергией активации ($E_a$). Превращение алмаза в графит требует разрыва очень прочных ковалентных связей в жесткой трехмерной кристаллической решетке алмаза и последующей перестройки атомов в слоистую структуру графита. Этот процесс имеет чрезвычайно высокую энергию активации.

При комнатной температуре кинетической энергии атомов углерода недостаточно для преодоления этого высокого энергетического барьера. В результате скорость реакции оказывается ничтожно малой, и для заметного превращения потребуются миллионы лет. Таким образом, алмаз находится в метастабильном состоянии: он термодинамически нестабилен, но кинетически устойчив.

Ответ: Несмотря на то что превращение алмаза в графит термодинамически выгодно (самопроизвольно), эта реакция не происходит в реальных условиях из-за очень высокой энергии активации. Кинетический барьер настолько велик, что при комнатной температуре скорость реакции практически равна нулю, что делает алмаз стабильным на протяжении человеческой жизни и даже в геологических масштабах времени.