Практическое занятие №1 «Элементы химической термодинамики».
Практическое занятие №1
«Элементы химической термодинамики».
Цель: усвоить содержание основных понятий и сущность законов термодинамики, научиться на их основе выполнять различные термодинамические и термохимические расчеты; научиться применять учебный материал в своей будущей профессии врача.
Сделайте записи в рабочей тетради по плану:
- дата; номер занятия; тема занятия; цель занятия; основные вопросы темы;
Учебные вопросы занятия:
Основные понятия химической термодинамики. Термодинамическая система.. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и его следствия. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Принцип энергетического сопряжения. Стационарное состояние организма и механизмы его поддержания. Теорема Пригожина. Повозрастная динамика изменения энтропии. Решение задач.При отработке 1-го учебного вопроса обратите внимание на цели и задачи химической термодинамики, основные термодинамические понятия, их физический смысл, классификацию термодинамических систем и их характеристики. Приведите примеры для биологических систем.
При отработке 2-го учебного вопроса обратите внимание на формулировки и математические выражения первого закона термодинамики в зависимости от вида термодинамической системы, вводимую функцию состояния – энтальпию, ее физический смысл, применение закона Гесса для термодинамических расчетов в калорийности питания.
При отработке 3-го учебного вопроса обратите внимание на возможность прогнозирования самопроизвольного протекания химических процессов в изолированных системах и их применение к моделям живых систем.
При отработке 4-го учебного вопроса обратите внимание на возможность самопроизвольного протекания химических процессов в закрытых системах при изобарно-изотермических условиях, на сопряженные химические реакции, протекающие в организме человека, возможность протекания в живых организмах обратимых химических реакций, характеристику стационарного состояния организма человека, динамику изменения энтропии в течение жизни.
При отработке 5-го учебного вопроса обратите внимание на методику выполнение термодинамических расчетов, разберите эталоны решения типовых задач
При отработке 7-го учебного вопроса обратите внимание на возможность протекания в живых организмах обратимых химических реакций.
При отработке 8-го учебного вопроса обратите внимание на объемное применение изучаемой темы к характеристикам стационарного состояния организма человека, динамику изменения энтропии в течение жизни человека.
Обратите внимание на:
- определение и обозначение теплового эффекта химических реакций; запись термохимических уравнений; расчеты по термохимическим уравнениям; обратимость химических реакций, химическое равновесие и вывод константы химического равновесия; смещение химического равновесия при изменении внешних условий; принцип Ле-Шателье.
Эталоны решения типовых задач
Задача 1. Рассчитать калорийность булки хлеба «Бородинский» массой 450 г, если его стограммовый кусочек содержит 7,4 г белков, 57,1 г углеводов и 1,2 г жиров. Коэффициенты калорийности брать по нижней границе.
Решение
1. Найти массы белков (mб), углеводов (mу) и жиров (mж) в 450 г хлеба «Бородинский»:
mб= 7,4·450:100=33,3г
mж = 57,1̇·450:100=256,95г
mж =1,2̇·450:100=5,4г
2. Рассчитать калорийность булки хлеба «Бородинский» массой 450 г:
К = (mб ·16,5 + mу · 16,5 + mж · 37,7) кДж
К = 33,3 16,5 + 256,95 16,5 + 5,4 37,7 = 4992,705 кДж
Ответ: К = 4992,705 кДж.
Задача 2. Определить изменение энтальпии химической реакции:
2С2Н5ОН(ж) → С2Н5-О-С2Н5(ж) + Н2О(ж) , используя следующие данные:
ДН0сгор С2Н5ОН(ж) = –1370,00 кДж·моль-1
ДН0сгор С2Н5ОС2Н(ж) = –2720,04 кДж·моль-1
ДН0сгор Н2О(ж) = 0 кДж·моль-1
Решение:
Поскольку даны энтальпии сгорания реагентов и продуктов, то используя 2-ое следствие из закона Гесса запишем:
ДН0р-я = ∑ДН0сгор. реагентов – ∑ДН0сгор. продуктов
Применительно к этой реакции:
ДН0р-я = 2ДН0сгорС2Н5ОН(ж) –ДН0сгорС2Н5ОС2Н5(ж) = 2 · (–1370,00) – (–2720,04) =
-2740,00 + 2720,04 = –19,96 кДж·моль-1.
Ответ: ДН0р-я = –19,96 кДж·моль-1.
Задача 3. Вычислить стандартную энтальпию реакции:
2C2H5OH(жидк.)=C2H5OC2H5(жидк.)+H2O(жидк.)
по значениям стандартных энтальпий сгорания веществ:
C2H5OH=-1368 кДж/моль;
C2H5OC2H5=-2727 кДж/моль.
Решение.
Запишем выражение второго следствия из закона Гесса с учетом того, что стандартная энтальпия сгорания воды (высший оксид) равна нулю:
= 2⋅
C2H5OH-
C2H5OC2H5.
Подставим значения стандартных энтальпий сгорания веществ, участвующих в реакции:
= 2⋅(-1368) -(-2727).
Получим:
=-9 кДж.
Задача 4. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции гидратации сывороточного альбумина при 250С, для которой ΔH0 =-6,08 кДж/моль, ΔS0 = -5,85 Дж/(моль⋅К). Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора.
Решение.
Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитаем по формуле:
ΔG0=ΔH0-T⋅ΔS0.
Подставив значения, получим:
ΔG0=-6,08 кДж/моль - 298 К⋅(-5,85⋅10-3) кДж/(моль⋅К) =
=-4,34 кДж/моль.
В данном случае энтропийный фактор препятствует протеканию реакции, а энтальпийный - благоприятствует. Самопроизвольное протекание реакции возможно при условии, если 
, т. е., при низких температурах.
Ответ: ΔG0р-я= –4, 34кДж·моль-1
Задача 5. Для стандартных условий вычислите изобарно-изотермический потенциал реакции: Аl2О3(т) + 3Н2О(ж) = 2Аl(ОН)3(т)
Справочные данные:
ДН0обр, кДж/моль ДS0, Дж/(моль К)
Аl2О3(т) = –1676, 8 50,95
Аl(ОН)3(т) = –1277,0 82,9
Н2О(ж) = –286,02 70,0
Решение: по 1-му следствию закона Гесса рассчитываем ДН0х. р.:
ДН0х. р. = 2ДН0обр(Аl(ОН)3(т)) - ДН0обр(Аl2О3(т)) - 3ДН0обр(Н2О(ж)) = –19,14 кДж/моль.
ДS0х. р. = 2ДS0(Аl(ОН)3(т)) - ДS0(Аl2О3(т)) - 3ДS0(Н2О(ж)) = –95,15 Дж/(моль К) = - 0,09515 кДж/моль.
ДG0 = ДН0 – TДS0 = –19,14 – 298 (–0,09515) = 9,215 кДж/моль.
Ответ: ДG0 = –1706,93 кДж/моль, т. е. процесс идет самопроизвольно.
Тестовые задания для самоконтроля
Выберите один правильный ответ
1. Энтальпия реакции - это:
1) количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе химической реакции при изобарно-изотермических условиях;
2) количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе химической реакции при изохорно-изотермических условиях;
3) величина, характеризующая возможность самопроизвольного протекания процесса;
4) величина, характеризующая меру неупорядоченности расположения и движения частиц системы.
2. Тенденция системы к достижению вероятного состояния, которому соответствует максимальная беспорядочность распределения частиц, характеризуется функцией состояния
1) энтальпией; 2) энтропией;
3) энергией Гиббса; 4) внутренней энергией.
3. В изобарно-изотермических условиях максимальная работа, осуществляемая системой
1) равна убыли энергии Гиббса; 2) больше убыли энергии Гиббса;
3) меньше убыли энергии Гиббса; 4) равна убыли энтальпии.
4. Знак ДG процесса таяния льда при 263 К
1) ДG> 0; 2) ДG = 0;
3) ДG< 0; 4) ДG ≤ 0.
5.Экзэргонические реакции в организме протекаютсамопроизвольно, так как
1) ДGреакции> 0; 2) ДGреакции< 0;
3) ДGреакции = 0; 4) ДGреакции ≥ 0.
6. Значение температуры физиологического оптимума составляет:
1) 273 К; 2) 300 К;
3) 298 К; 4) 310 К;
7.В соответствии с принципом Пригожина для стационарного состояния рассеяние энергии Гиббса открытой системой:
1) равно нулю; 2) максимально;
3) минимально; 4) не происходит;
8. Стандартная энтальпия образования простых веществ ΔН° в их термодинамически устойчивом агрегатном и аллотропном состоянии при стандартных условиях принимается равной:
1) нулю; 2) всегда больше нуля;
3) всегда меньше нуля; 4) как больше, так и меньше нуля;
9. Биологические системы расположены в порядке усложнения в ряду
1) организм→ орган → клетка; 2) популяция→ организм→биоценоз;
3) орган →биоценоз→клетка; 4) организм → популяция →биоценоз;
10. Соотношение белков, жиров и углеводов в рациональном питании по массе должно быть:
1) 1:1:1; 2) 1:10:1;
3) 1:1:4; 4) 4:4:1.
Дополните высказывание
11.Согласно первому началу термодинамики в любой изолированной системе запас внутренней энергии___________
12.В гомогенной системе отсутствует ____________
13.Критерием возможности самопроизвольного протекания процесса в любой термодинамической системе служит величина ________
Ключ к тестовым заданиям
№ вопроса | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
Ответ | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 4 | 3 | 1 | 4 | 3 | не изменяется | граница раздела фаз | энергия Гиббса |
Лабораторное занятие №1
Тепловые эффекты химических реакций
1. Цель: научиться экспериментально определять энтальпию растворения безводной соли с использованием калориметра.
2.Учебные вопросы занятия:
1. Инструктаж по выполнению лабораторной работы
2. Выполнение лабораторной работы «Определение энтальпии растворения вещества»
3.Защита лабораторной работы
Оборудование и реактивы:
- калориметр лабораторный с термометром; магнитная мешалка; воронка стеклянная; хлорид калия; нитрат калия; вода дистиллированная; весы аналитические; хлорид железа (III); роданид аммония; хлорид аммония; штатив с пробирками.
Лабораторная работа «Определение энтальпии растворения вещества»
Экспериментально энтальпии определяют в специальных приборах - калориметрах.
Термохимические исследования применяются как для практических целей, например, для составления тепловых балансов технологических процессов, так и для решения ряда теоретических вопросов, в частности, термохимические исследования дают возможность установить связь между строением вещества и его энергетическими характеристиками.
Для определения энтальпий реакций, протекающих в водных растворах, и энтальпий растворения веществ можно использовать калориметрическую установку, изображенную на рисунке.
В верхнюю часть стеклянного стакана емкостью 0,8 л вклеен меньший стакан емкостью 0,5 л.
Нижние части стаканов не соприкасаются во избежание потерь тепла через стенки внутреннего калориметрического сосуда. Внутренний стакан закрывают пластмассовой крышкой с тремя отверстиями, в которые вставлены мешалка, точный термометр (цена деления 0,01°) и воронка для всыпания в калориметр вещества и наливания раствора. Мешалка присоединена к электромотору, который через регулятор напряжения (лабораторный автотранстформатор) включается в сеть.
Систему из двух стаканов можно заменить сосудом Дьюара. При работе с мешалкой наиболее удобен калориметрический стакан емкостью 0,5 л, но в случае необходимости его можно заменить сосудом меньшего объема, соответственно уменьшив объем раствора и величину навески.
Каждый калориметрический опыт начинают с определения температурного хода калориметрической системы. Для этого в течение нескольких минут измеряют температуру калориметра. Показания термометра фиксируются через каждую минуту до сотых долей градуса, которые не отсчитывают на глаз. Если измерения показывают, что в течение не менее 5 минут температурные изменения достаточно равномерны и невелики (они составляют так называемый начальный период опыта), то в определенный момент отсчета всыпают в калориметр через воронку приготовленную навеску соли или вносят навеску одного из реагентов химической реакции. Непрекращающееся размешивание способствует ускорению процесса растворения или реакции.
С момента всыпания соли или внесения реагента начинается главный период реакции. За счет растворения соли или протекания реакции происходит резкое изменение температуры, поэтому первые 1-2 отсчета могут быть сделаны лишь с точностью до десятых долей градуса (пропуски отсчетов не допускаются).
После того, как растворение соли или взаимодействие веществ закончится, температурный ход в калориметре станет снова равномерным, отсчеты температур необходимо опять производить до сотых долей градуса. Момент наступления равномерного хода в калориметре является концом главного и началом конечного периода.
В последнем периоде в течение 5 минут температурные отсчеты проводят через минуту, как и в начальном периоде. Результаты температурных измерений изображают в виде графика на миллиметровой бумаге, при этом на оси абсцисс наносят время в минутах (1 см соответствует 1 мин), а на оси ординат - показания температуры по термометру.
Тепловое значение калориметра К (постоянная калориметра) представляет собой сумму теплоемкостей всех составных частей, входящих в калориметрическую систему. Ее можно просчитать, если точно узнать массы и удельные теплоемкости всех деталей калориметра. Постоянную калориметра можно определить экспериментально электрическим нагревом калориметрической системы как по измерению энтальпии растворения соли, для которой известна стандартная энтальпия растворения. Так, для нитрата калия энтальпия растворения (∆Нраств) равна -35,6 кДж/моль. Взяв для растворения v. моль соли и измерив в калориметре изменение температуры At., вызванное растворением этого количества соли, можно вычислить постоянную калориметра К:
Энтальпию растворения соли типа КС1 или другой соли по заданию преподавателя (∆Н ) можно определить экспериментально, проводя опыты с количеством вещества v2 и измеряя изменения температуры в калориметре в ходе опыта At2:
Вопросы для защиты лабораторной работы
1. Что называют тепловыми эффектами реакций? В каких случаях уравнения химических реакций называют термохимическими?
2. Что называют теплотой образования и теплотой сгорания вещества? В каких единицах ее выражают?
3. Какие условия состояния системы принимают в термодинамике в качестве стандартных? Какими символами их обозначают?
4. При каких условиях изменение энтальпии Н равно теплоте, получаемой системой из окружающей среды?5. Какой закон является основным законом термохимии? Дайте его формулировку.
6. Перечислите следствия, вытекающие из закона Гесса. Для каких определений они используются в термохимических расчетах?
7. Что называют теплотой растворения соли? От чего зависит знак теплового эффекта растворения соли?
8. Что называют молярной и удельной теплоемкостью?
9. Как экспериментально определить теплоту растворения соли?
10. Как, используя закон Гесса, рассчитать теоретический тепловой эффект растворения безводной соли карбоната натрия?
Рекомендуемая литература:
Основная литература:
1. Общая химия [Электронный ресурс]: учеб. / , . - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 976 с. – Режим достуспа: http:// www. studentlibrary. ru/ book/ ISBN 9785970415702.html
2. Общая химия [Текст]: учеб. / , . - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. - 976 с.
Дополнительная литература:
1. Жолнин, химия [Текст] :учеб. / ; под ред. , . - М. : ГЭОТАР-Медиа,2012. - 400 с.
2. Жолнин, [Электронный ресурс] :учеб. / ; под ред. , . - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2014. – 400 с. – Режим доступа: http://www. studentlibrary. ru/book/ISBN9785970429563.html
3. Практикум по общей и биоорганической химии : учеб. пособие / под ред. проф. . - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Академия, 2013. - 256 с.
