Общая химия - Николай Глинка

Сокращенные обозначения агрегатного состояния веществ: г — газообразное, ж — жидкое, к — кристаллическое.

В табл. 7 приведены значения стандартных энтальпий и энергий Гиббса образования некоторых веществ при 25°С (298 К). Более полные данные этого рода можно найти в справочниках, например, в «Кратком справочнике физико-химических величин» под редакцией А. А. Равделя и А. М. Пономаревой (издание восьмое, 1983 г.).

Пример 1. Вычислить ΔH°298 , тепловой эффект при 298 К и постоянном давлении и ΔG°298 реакции:

Fe2O3 + 2Al = Al2O3 +2Fe

Вычисление ΔH°298 и теплового эффекта реакции. Находим в табл. 7 ΔH°обрFe2O3 (-822.2 кДж/моль) и Al2O3 (-1676 кДж/моль) при 298 К и производим алгебраическое суммирование:

ΔG°298 = -1676 -(-822,2) = -853,8 кДж

Поскольку изменение энтальпии реакции равно по величине, но обратно по знаку ее тепловому эффекту при постоянных температуре и давлении (см. стр. 189), то термохимическое уравнение ракции запишется следующим образом:

Fe2O3 + 2Al = Al2O3 +2Fe + 853,8 кДж

При низких температурах знак изменения энтальпии реакции может служить для ориентировочного определения возможного направления реакции. Полученное для рассматриваемой реакции отрицательное значение ΔH° указывает на возможность ее самопроизвольного протекания при достаточно низких температурах; при этом большое абсолютное значение ΔH° позволяет с достаточной вероятностью предполагать, что в условиях, не очень сильно отличающихся от стандартных, эта реакция тоже может протекать в прямом направлении.

Вычисление ΔG°298 реакции. Находим в табл. 7 ΔG°обрFe2O3 (-740.3 кДж/моль) и Al2O3 (-1582 кДж/моль) при 298 К и производим суммирование:

ΔG°298 = -1582 - (-740,3)= -831,7 кДж

Полученное отрицательное значение ΔG°298 подтверждает вывод, сделанный на основе оценки ΔH°298 реакции. Близость найденных значений ΔH°298 и ΔG°298 связана, в частности, с тем, что при протекании рассматриваемой реакции не меняется число молекул газов (в нашем примере ни исходные вещества, ни продукты реакции не являются газами). При изменении же числа молекул Газов может существенно изменяться энтропия системы (переход в газообразное состояние сопровождается сильным возрастанием молекулярного беспорядка!), вследствие чего значения ΔH° и ΔG° могут не только заметно различаться по величине, но даже иметь разные знаки (см. пример 2). Поэтому в подобных случаях знак ΔH° не может служить определенным критерием направления самопроизвольного протекания реакции.

Большое абсолютное значение ΔG°298, найденное для рассматриваемой реакции, позволяет с достаточной вероятностью говорить о возможности протекания этой реакции в прямом направлении не только при стандартной температуре (25°C), но и при других температурах. В случае малых абсолютных значений ΔG°298, а также для реакций, протекающих с изменением числа молекул уазов, такого заключения делать нельзя; в подобных случаях нужно знать зависимость ΔG° от температуры.

Пример 2. Вычислить ΔH°298, тепловой эффект при 298 К и постоянном давлении ΔG°298 реакции:

CuO + C = Cu + CO

Вычисление ΔH°298 реакции. Находим в табл. 7 ΔH°обрCuO(-162.0 кДж/моль) и СО (-110.5 кДж/моль) при 298 К и производим суммирование:

ΔH°298 = -110,5 - (- 162,0) = 51,5 кДж

Таким образом

CuO + C = Cu + CO - 51,5 кДж

Полученное значение ΔH°298 положительно, но мало по абсолютной величине. Поэтому оно не может служить критерием направления протекания реакции даже при невысоких температурах, тем более, что в рассматриваемом случае в результате реакции изменяется число молекул газов.

Вычисление ΔG°298 реакции. Находим в табл. 7 ΔG°обрCuO(-129.4 кДж/моль) и СО (-137.1 кДж/моль) при 298 К и производим суммирование:

ΔG°298 = - 137,1 - (-129,4) = - 7,7 кДж

Полученное значение ΔG°298 тоже мало по абсолютной величине, но отрицательно. Оно указывает на возможность протекания реакции в прямом направлении при стандартных условиях, по не дает оснований для выводов о ее направлении при условиях, отличающихся от стандартных.

В данном примере разные знаки ΔH°298 и ΔG°298 объясняются возрастанием в ходе реакции числа молекул газов и связанным с этим увеличением энтропии. Именно поэтому оказывается возможным самопроизвольное протекание эндотермической реакции восстановления меди.

Пример 3. Вычислить константу равновесия реакции:

NH3 + HCl = NH4Cl

Прежде всего определим ΔG°298 реакции. Для этого находим в табл. 7 ΔG°298 NH3 (-16.7 кДж/моль), HCl (-94.8 кДж/моль) и NH4Cl (-203.2 кДж/моль) при 298 К и производим суммирование:

ΔG°298 = -203,2 -(-16,7 - 94,8) = -91,7 кДж

Теперь найденное значение ΔG°298 подставляем в уравнение (см. стр. 193)

Получаем:

Отсюда

Большое значение найденной нами константы показывает, что при стандартной температуре равновесие

сильно смещено вправо; иначе говоря, при 25°C хлорид аммония — устойчивое соединение.

Глава VII. ВОДА, РАСТВОРЫ

69. Вода в природе.

Вода - весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%. Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь. Подробнее о жесткости воды см. § 212.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угли, обожженной глины и т. п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.

Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена (см. § 212).

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

70. Физические свойства воды.

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°C плотность ее также увеличивается.

- 198 -

При 4°C вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°C и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°C. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°C, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры, При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4.18 Дж/(г К)]*. Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к эиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь таким образом, регулятором температуры на земном шаре.