Елементи змісту: енергетика і напрямок течії хімічних реакцій; швидкість хімічних реакцій; хімічну рівновагу; закон діючих мас.
Вимоги до рівня підготовки випускників: вміти пояснювати залежність швидкості і напряму протікання реакцій від різних факторів, знати закон діючих мас.
Мета: закріпити вміння розв'язувати задачі з хімічної кінетики і термодинаміки, узагальнити знання з тем "Енергетика і напрямок течії хімічних реакцій", "Швидкість хімічних реакцій. Хімічна рівновага".
1. Усна (фронтальний) опитування по темі "Енергетика хімічних реакцій":
1) що називається термодинамічною системою? які параметри характеризують стан системи?
2) що таке ентальпія системи (Н)?
3) що називається тепловим ефектом реакції? за яких умов він називається зміною ентальпії реакції і позначається Н?
4) що називається стандартною ентальпією утворення з'єднання Н o 298. Чому необхідна стандартизація стану речовин?
5) для яких процесів справедливий закон Гесса?
6) енергетичні ефекти яких процесів можна обчислювати за допомогою табличних значень Н o 298?
2.Решеніе завдань: термохимические розрахунки
Завдання 1. Розрахуйте тепловий ефект реакції горіння сірководню
Рішення: рівняння 1-3 є термохімічні рівняння освіти відповідно 1 моль H2 S (г). H2 O (ж) і SO2 (г) з простих речовин в стандартних умовах, а теплові ефекти - стандартні ентальпії утворення зазначених з'єднань Н298 (див. Справоч. Таблицю). Н298 освіти простих в найбільш термодинамічно стійкому стані приймаються рівними нулю
На підставі одного з наслідків закону Гесса: Н = Н (прод.) - Н (вих.), Де Н (прод.) І Н (вих.) - суми стандартних ентальпій утворення продуктів реакції і вихідних речовин, отримуємо:
Н = (-286,0 - 297,0) - (- 20,17) = - 562,8 кДж.
Негативне значення ентальпії реакції горіння сірководню означає, що дана реакція екзотермічна.
Н (вих.)> Н (прод.) (В даному випадку, більше на 562,8 кДж).
Отже, Н (вих.) = Н (прод.) + 562,8 кДж. Енергія виділяється в навколишній простір.
Тепловий ефект можна включити в рівняння хімічної реакції
Примітка. можливий інший варіант рішення: якщо скласти термохимические рівняння 2 і 3 і відняти рівняння 1, то отримаємо шукане (вихідне) рівняння:
Підставивши числове значення ентальпій утворення речовин з завдання, отримаємо значення теплового ефекту реакції:
Н = (-286,0 - 297,0) - (- 20,17) = - 562,8 кДж.
Отримане рівняння для Н і є наслідок закону Гесса.
Відповідь: - 562,8 кДж.
Завдання 2. За допомогою термохімічного рівняння
H2 S (г) + 3/2 O2 = SO2 (г) + H2 O (ж) + 562,8 кДж визначте обсяг згорілого сірководню, якщо відомо, що в результаті реакції виділилося 281,4 кДж теплоти.
Рішення: проведемо розрахунок за рівнянням і визначимо V (H2 S):
3. Усний (фронтальний) опитування по темі "Напрямки течії хімічних реакцій":
1) що таке ентропійний фактор процесу?
2) проиллюстрируйте прикладом той факт, що напрямок хімічного процесу залежить і від ентропійного, і від ентальпійного чинників;
3) що називається стандартною ентропією речовини?
4) як визначається зміна ентропії системи в результаті протікання певного процесу в стандартних умовах?
5) що таке ізобарно-ізотермічний потенціал, або вільна енергія Гіббса? Що можна сказати про хімічний процесі, для якого:
1) G> 0. 2) G <0. 3) G = 0 ?
6) що називається стандартним ізобарно-ізотермічним потенціалом освіти речовини?
4.Решеніе завдань: напрямок течії хімічних реакцій
Завдання 1. передбачу знак зміни ентропії (S o 298) в кожній із запропонованих реакцій:
Перевірте правильність зроблених висновків розрахунком S o 298 відповідних реакцій, користуючись довідковими даними.
I. 1) S o 298 першої реакції більше нуля. Ентропія системи як міра невпорядкованості зростає при збільшенні кількості молей речовини (числа молей), тим більше, що одне з отриманих речовин знаходиться в газоподібному стані;
2) S o 298 <0, так как в реакцию вступают три объема газов, а получаются два, т.е. число частиц газообразных веществ уменьшается, в системе растет упорядоченность;
3) S o 298 <0 по той же причине, что и в случае 2;
4) ймовірно, S o 298> 0, так як ускладнився складу молекул газу (H2 O замість H2), хоча результаті реакції число молей і не змінилося (в тому числі і газоподібних речовин);
5) S o 298 <0, так как ионы Ag + и CL -. находящиеся в растворе, переходят в осадок, т.е. в системе растет упорядоченность.
II. Випишемо з довідкової таблиці значення? S o 298 відповідних речовин і підпишемо їх під формулами в рівняннях 1 - 5:
S5 = 96,11 - (72,63 + 56,63) = - 33,15 Дж / град
тобто результати обчислення S o 298 реакцій підтвердили висновки, зроблені раніше.
Завдання 2. Які з реакцій, перерахованих в завданні 1, протікають мимовільно при стандартних умовах?
Рішення: Відповідь на питання завдання дає обчислення зміни ізобарно-ізотермічного потенціалу або вільної енергії Гіббса (G o 298) запропонованих реакцій. G - функція стану системи, і, отже,
G o = G o (прод.) - G o (вих.).
Випишемо з довідкової таблиці значення G o 298 утворення сполук і підпишемо їх під відповідними формулами в рівняннях 1 - 5, обчислимо G o 298 відповідних реакцій:
Отримані результати говорять про те, що реакції 1, 3 і 5 можуть протікати в стандартних умовах мимовільно до встановлення рівноваги, а реакції 2 і 4 в цих умовах протікати в зазначеному напрямку не можуть.
5. Усний (фронтальний) опитування по темі "Швидкість хімічних реакцій"
1) що розуміють під швидкістю хімічних реакцій?
2) чому про швидкість хімічних реакцій має сенс говорити тільки для даного моменту часу?
3) які чинники впливають на швидкість хімічної реакції?
4) у чому відмінність гомогенних і гетерогенних хімічних реакцій?
5) сформулюйте закон дії мас
6) що таке константа швидкості хімічної реакції? який її фізичний зміст? в яких одиницях вона вимірюється?
7) в якій формі закон дії мас застосуємо для гетерогенних реакцій?
8) як швидкість хімічних реакцій залежить від температури? що таке температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції? як він розраховується?
9) що таке енергія активації хімічної реакції? як впливає величина енергії активації на швидкість реакції?
10) що таке лімітуючим стадія складної хімічної реакції?
6. Рішення задач: швидкість хімічних реакцій
Завдання 1. Швидкість хімічної реакції 2NO + O2 = 2NO2 описується рівнянням. У скільки разів зросте швидкість даної реакції при збільшенні тиску в суміші вихідних газів в два рази?
Рішення: збільшення тиску вдвічі рівноцінно подвійного збільшення концентрацій NO і O2. Тому швидкості взаємодії візьмуть відповідно до закону дії мас такі вирази:
Завдання 2. Поясніть, чому показники ступенів в рівняннях, що виражають закон дії мас для наведених нижче реакцій взаємодії вихідних газоподібних речовин, не завжди відповідають коефіцієнтам рівняння?
Відповідь. реакції 2 і 4 протікають через проміжні стадії, а швидкість подібних реакцій визначається стехіометрією лімітуючої стадії.
7. Усний (фронтальний) опитування по темі "Каталозі":
1) який процес називають катализом?
2) що таке каталізатор?
3) що таке позитивний і негативний каталіз?
4) як каталізатор впливає на енергію активації хімічної реакції?
5) чим відрізняється гетерогенний каталіз від гомогенного?
6) в чому сутність вибірковості каталізатора?
7) яка роль каталізатора в гетерогенному каталізі?
8) в чому полягає дія інгібіторів хімічних реакцій?
9) що таке каталітичні отрути?
10) в чому особливості ферментативного каталізу?
Завдання 1. Ацетальдегід розкладається в газовій фазі в такий спосіб: CH3 COH = CH4 + CO. Присутність парів йоду помітно прискорює реакцію. Відомо, що перша стадія каталітичного процесу
CH3 COH + I2 = CH3 I + HI + CO протікає повільніше другий. Напишіть рівняння реакції для другої стадії і рівняння, що виражає закон дії мас для каталітичної реакції в цілому.
Рішення: За теорією проміжних сполук, що пояснює гомогенний каталіз, реакція А + В = АВ (а) протікає по стадіях:
1) А + К = АК, 2) АК + В = АВ + К, де К - каталізатор.
Очевидно, що а = 1 + 2 або 2 = а - 1:
(Оперуємо з хімічним рівнянням як з алгебри).
Так як лімітуючої стадією каталітичного процесу є повільна стадія, то рівняння швидкості розкладання ацетальдегіду відповідно до закону дії мас буде
9. Усний (фронтальний) опитування по темі "Хімічна рівновага":
1) які реакції називаються оборотними? в чому їх відмінність від реакцій, що протікають до кінця?
2) що такий стан хімічної рівноваги? чи можна сказати, що при встановленні хімічного рівноваги реакція припиняється?
3) що таке константа рівноваги хімічної реакції? як константа рівноваги виражається через рівноважні концентрації реагуючих речовин?
4) які особливості вираження константи рівноваги для гетерогенних хімічних процесів?
5) як константа рівноваги пов'язана зі зміною ізобарно-ізотермічного потенціалу G реакції?
6) як впливає зміна температури на константу рівноваги?
7) чи зміниться стан рівноваги при введенні в реакційну суміш каталізатора? який висновок випливає зробити про вплив каталізатора на константу рівноваги?
8) сформулюйте правило для визначення напрямку зміщення рівноваги при зміні тиску в реакціях між газоподібними речовинами; які корективи потрібно ввести при визначенні зміщення рівноваги при зміні тиску для гетерогенних систем?
9) як впливає зміна концентрації однієї з речовин на зміщення рівноваги в гомогенної реакційної суміші?
10) який вплив зміни температури на зміщення рівноваги в екзотермічних і ендотермічних реакціях?
10.Решеніе завдань: хімічна рівновага
Завдання 1. При деякій температурі константа рівноваги реакції H2 (г) + Br2 (г) <-> 2НBr (г) дорівнює 1. Визначте склад рівноважної реакційної суміші, якщо для реакції були взяті 1 моль H2 і 2 моль Br2.
Рішення . запишемо вираз константи рівноваги:
Завдання зводиться до визначення рівноважних концентрацій реагуючих речовин через константу рівноваги. З рівняння реакції видно, що 1 моль водню реагує з 1 моль брому, при цьому виходить 2 моль бромоводорода. Якщо ж до досягнення рівноваги прореагував Х моль водню, то рівноважні кількості речовин в суміші і пропорційні їм концентрації складуть:
Підставляючи ці значення у вираз константи рівноваги, отримаємо:
Рішення квадратного рівняння 3х 2 + 3х - 1 = 0 дає х = 0,45 (другий корінь рівняння негативний і фізичного сенсу не має).
Після досягнення рівноваги кількості реагуючих речовин в суміші складуть:
n (H2) = 1 - 0,45 = 0,55 моль
n (Br2) = 2 - 0,45 = 1,55 моль
n (НBr) = 2 * 0,45 = 0,9 моль
Завдання 2. Оксид азоту (IV) NO2 забарвлений в бурий колір, його димер N2 O4 безбарвний. Передбачу, як буде змінюватися забарвлення суміші газів при одночасному збільшенні температури і зменшенні тиску.
Розрахуємо тепловий ефект реакції в стандартних умовах за довідковими даними:
Н реакції = Н o 298 (N2 O4) - 2 Н o 298 (NO2) = 1 моль * 9,6 кДж / моль-2 моль * 33,8 кДж / моль = -58 кДж
Так як реакція екзотермічна (Н<0) и протекает с уменьшением числа молей газообразных веществ, то повышение температуры и понижение давления смещают равновесие в одном направлении - в сторону исходного вещества, что вызывает усиление окраски смеси газов.
Відповідь. забарвлення посилиться.
11. Підведення підсумків уроку, домашнє завдання (див. Додаток № 1)
Примітка: питання фронтального опитування можна використовувати і в якості додаткових (після вирішення кожного завдання тим чи іншим учнем).