Номер 2, страница 134 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 19. Направление протекания химических реакций. Понятие об энтропии - номер 2, страница 134.

Условие.

2. Сформулируйте второе начало термодинамики. Каким образом можно рассчитать изменение энтропии химической реакции?

Решение.

Решение 2.

Сформулируйте второе начало термодинамики

Второе начало (закон) термодинамики — это фундаментальный физический принцип, который устанавливает направление, в котором могут происходить самопроизвольные процессы в природе, и вводит понятие энтропии. В отличие от первого начала, которое является законом сохранения энергии, второе начало указывает на необратимость большинства природных процессов.

Существует несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

• Формулировка Рудольфа Клаузиуса (1850 г.): Теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.

• Формулировка Уильяма Томсона (лорда Кельвина) и Макса Планка: Невозможно создать периодически действующую машину, единственным результатом действия которой было бы производство работы за счёт охлаждения одного теплового резервуара. Иными словами, эта формулировка постулирует невозможность создания вечного двигателя второго рода.

• Формулировка через энтропию (наиболее общая): В изолированной системе энтропия никогда не убывает. В ходе необратимых процессов энтропия изолированной системы возрастает, а в ходе обратимых — остается постоянной. Математически это выражается как $ \Delta S_{из} \ge 0 $, где $ \Delta S_{из} $ — изменение энтропии изолированной системы. Энтропия ($\text{S}$) является мерой неупорядоченности, или хаоса, системы. Согласно статистической физике (формула Больцмана), она связана с числом микросостояний ($\text{W}$), которыми может быть реализовано данное макросостояние системы: $ S = k \ln W $, где $\text{k}$ — постоянная Больцмана.

Каким образом можно рассчитать изменение энтропии химической реакции?

Изменение энтропии химической реакции ($ \Delta S_{р} $) можно рассчитать количественно, используя стандартные молярные энтропии ($S^\circ_{298}$) продуктов и реагентов. Стандартная молярная энтропия — это энтропия одного моля вещества при стандартных условиях (давление 1 атм или 1 бар, температура 298 К, т.е. 25 °C). Значения стандартных энтропий для большинства веществ определены экспериментально и приведены в справочных таблицах.

Расчет основан на следствии из закона Гесса, которое гласит, что изменение энтропии реакции равно разности между суммой стандартных энтропий продуктов и суммой стандартных энтропий реагентов с учётом их стехиометрических коэффициентов.

Для общей химической реакции вида:

$ aA + bB \rightarrow cC + dD $

изменение стандартной энтропии ($ \Delta S^\circ_{р} $) рассчитывается по формуле:

$ \Delta S^\circ_{р} = \sum n_p S^\circ(\text{продукты}) - \sum n_r S^\circ(\text{реагенты}) $

или в развернутом виде для данной реакции:

$ \Delta S^\circ_{р} = (c \cdot S^\circ(C) + d \cdot S^\circ(D)) - (a \cdot S^\circ(A) + b \cdot S^\circ(B)) $

где:

• $ S^\circ(A), S^\circ(B), S^\circ(C), S^\circ(D) $ — стандартные молярные энтропии веществ A, B, C и D;

• $a, b, c, d$ — стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Качественно оценить знак изменения энтропии можно, анализируя изменение агрегатного состояния и числа молей газообразных веществ. Как правило, энтропия системы возрастает ($ \Delta S > 0 $), если в ходе реакции увеличивается число молей газа или если образуются газообразные или жидкие вещества из твердых. Наоборот, если число молей газа уменьшается, энтропия системы обычно убывает ($ \Delta S < 0 $).

Ответ:

Второе начало термодинамики устанавливает, что в изолированных системах энтропия (мера беспорядка) не может уменьшаться ($ \Delta S_{из} \ge 0 $), тем самым определяя направление самопроизвольных процессов. Изменение энтропии химической реакции можно рассчитать, используя справочные данные о стандартных молярных энтропиях ($S^\circ$) всех участников реакции. Для этого необходимо из суммы стандартных энтропий продуктов вычесть сумму стандартных энтропий реагентов, при этом каждая величина энтропии умножается на соответствующий стехиометрический коэффициент из уравнения реакции: $ \Delta S^\circ_{р} = \sum n_p S^\circ(\text{продукты}) - \sum n_r S^\circ(\text{реагенты}) $.