При ΔG < 0 реакция термодинамически разрешена и система стремится к достижению условия ΔG = 0, при котором наступает равновесное состояние обратимого процесса; ΔG > 0 указывает на то, что процесс термодинамически запрещен.

Рисунок 3

Изменение энергии Гиббса: а – обратимый процесс; б – необратимый процесс.

Записав уравнение (1) в виде ΔH = ΔG + TΔS, получим, что энтальпия реакции включает свободную энергию Гиббса и «несвободную» энергию ΔS · T. Энергия Гиббса, представляющая собой убыль изобарного (P = const) потенциала, равна максимальной полезной работе. Уменьшаясь с течением химического процесса, ΔG достигает минимума в момент равновесия (ΔG = 0). Второе слагаемое ΔS · T (энтропийный фактор) представляет ту часть энергии системы, которая при данной температуре не может быть превращена в работу. Эта связанная энергия способна лишь рассеиваться в окружающую среду в виде тепла (рост хаотичности системы).

Итак, в химических процессах одновременно изменяются энергетический запас системы (энтальпийный фактор) и степень ее беспорядка (энтропийный фактор, не совершающая работу энергия).

Анализ уравнения (1) позволяет установить, какой из факторов, составляющих энергию Гиббса, ответственен за направление протекания химической реакции, энтальпийный (ΔH) или энтропийный (ΔS · T).

· Если ΔH < 0 и ΔS > 0, то всегда ΔG < 0 и реакция возможна при любой температуре.

· Если ΔH > 0 и ΔS < 0, то всегда ΔG > 0, и реакция с поглощением теплоты и уменьшением энтропии невозможна ни при каких условиях.

· В остальных случаях (ΔH < 0, ΔS < 0 и ΔH > 0, ΔS > 0) знак ΔG зависит от соотношения ΔH и TΔS. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением изобарного потенциала; при комнатной температуре, когда значение T невелико, значение TΔS также невелико, и обычно изменение энтальпии больше TΔS. Поэтому большинство реакций, протекающих при комнатной температуре, экзотермичны. Чем выше температура, тем больше TΔS, и даже эндотермические реакции становятся осуществляемыми.

Проиллюстрируем эти четыре случая соответствующими реакциями:

Для оценки знака ΔG реакции важно знать величины ΔH и ΔS наиболее типичных процессов. ΔH образования сложных веществ и ΔH реакции лежат в пределах 80–800 кДж∙моль-1. Энтальпия реакции сгорания ΔH0сгор всегда отрицательна и составляет тысячи кДж∙моль-1. Энтальпии фазовых переходов обычно меньше энтальпий образования и химической реакции ΔHпар – десятки кДж∙моль-1, ΔHкрист и ΔHплав равны 5–25 кДж∙моль-1.

Зависимость ΔH от температуры выражается соотношением ΔHT = ΔH° + ΔCp · ΔT, где ΔCp – изменение теплоемкости системы. Если в интервале температур 298 К – Т реагенты не претерпевают фазовых превращений, то ΔCp = 0, и для расчетов можно пользоваться значениями ΔH°.

Энтропия индивидуальных веществ всегда больше нуля и составляет от десятков до сотен Дж∙моль–1K–1 (табл. 4.1). Знак ΔG определяет направление реального процесса. Однако для оценки осуществимости процесса обычно пользуются значениями стандартной энергии Гиббса ΔG°. Величина ΔG° не может использоваться в качестве критерия вероятности в эндотермических процессах со значительным возрастанием энтропии (фазовые переходы, реакции термического разложнения с образованием газообразных веществ и др.). Такие процессы могут быть осуществлены за счет энтропийного фактора при условии:

Энтропия.

ЭНТРОПИЯ (от греч. entropia - поворот, превращение) (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна. Понятие “энтропия” введено в 1865 Р. Клаузиусом. Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации. Энтропия - это функция состояния, то есть любому состоянию можно сопоставить вполне определенное (с точность до константы - эта неопределенность убирается по договоренности, что при абсолютном нуле энтропия тоже равна нулю) значение энтропии. Для обратимых (равновесных) процессов выполняется следующее математическое равенство (следствие так называемого равенства Клаузиуса) , где δQ - подведенная теплота, - температура, и - состояния, SA и SB - энтропия, соответствующая этим состояниям (здесь рассматривается процесс перехода из состояния в состояние ). Для необратимых процессов выполняется неравенство, вытекающее из так называемого неравенства Клаузиуса , где δQ- подведенная теплота, - температура, и - состояния, SA и SB- энтропия, соответствующая этим состояниям. Поэтому энтропия адиабатически изолированной (нет подвода или отвода тепла) системы при необратимых процессах может только возрастать. Используя понятие энтропии Клаузиус (1876) дал наиболее общую формулировку 2-го начала термодинамики: при реальных (необратимых) адиабатических процессах энтропия возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия (2-ое начало термодинамики не является абсолютным, оно нарушается при флуктуациях).

Восприятие причинно-следственных отношений лежит в основе наших моделей мира. Эффективный анализ, исследование и моделирование любого рода подразумевают определение причин наблюдаемых явлений. Причинами называются базовые элементы, ответственные за возникновение и существование того или иного явления или ситуации. К примеру, успешное решение проблем основано на нахождении и проработке причины (или причин) отдельного симптома или ряда симптомов этой проблемы. Определив причину того или иного желаемого или проблемного состояния, вы определяете также точку приложения ваших усилий.

Например, если вы считаете, что причиной аллергии является внешний аллерген, вы стараетесь избегать этого аллергена. Полагая, что причиной аллергии является выброс гистамина, вы начинаете принимать антигистаминные препараты. Если же, на ваш взгляд, аллергия вызвана стрессом, вы постараетесь уменьшить этот стресс.

Наши убеждения относительно причин и следствий отражаются в языковом паттерне, в явной или скрытой форме описывающем причинно-следственные связи между двумя переживаниями или явлениями. Как и в случае с комплексными эквивалентами, на уровне глубинных структур подобные взаимосвязи могут быть точными или неточными. К примеру, из высказывания «Критика заставит его уважать правила» не ясно, как именно критическое замечание может заставить человека, о котором идет речь, развить в себе уважение к неким правилам. Подобная критика может так же легко вызывать противоположный эффект. В этом высказывании опущено слишком много потенциально значимых звеньев логической цепочки.

Разумеется, это не означает, что все утверждения о причинно-следственных отношениях необоснованны. Некоторые из них вполне обоснованны, но не завершены. Другие имеют смысл только при определенных условиях. Фактически утверждения о причинно-следственных отношениях представляют собой одну из форм неопределенных глаголов. Основная опасность заключается в том, что подобные утверждения чрезмерно упрощены и/или поверхностны. Но большинство явлений возникают в результате множества причин, а не одной-единственной, поскольку сложные системы (например, нервная система человека) состоят из множества двусторонних причинно-следственных связей.

Помимо того, элементы причинно-следственной цепочки могут обладать индивидуальной «дополнительной энергией». То есть каждый из них наделен собственным источником энергии, и его реакцию невозможно предугадать. За счет этого система становится намного сложнее, поскольку энергия не может распространяться по ней автоматически. Как указывал Грегори Бейтсон, если вы бьете по мячу, вы довольно точно можете определить заранее, куда он полетит, рассчитав угол удара, количество силы, приложенной к мячу, трение поверхности и т. д. Если же вы пинаете собаку - под тем же углом, с той же силой, на той же поверхности и т. д., - гораздо труднее угадать, чем закончится дело, поскольку собака обладает собственной «дополнительной энергией».

Нередко причины оказываются менее очевидными, более широкими и систематическими по своей природе, чем исследуемое явление или симптом. В частности, причина спада производства или прибыли может быть связана с конкуренцией, управленческими проблемами, вопросами лидерства, изменением маркетинговых стратегий, изменением технологии, каналами коммуникации или чем-то еще.

То же справедливо для множества наших убеждений относительно объективной реальности. Мы не можем видеть, слышать или ощущать взаимодействие молекулярных частиц, гравитационное или электромагнитное поля. Мы можем только воспринимать и измерять их проявления. Для объяснения подобных эффектов мы вводим понятие «гравитация». Такие понятия, как «гравитация», «электромагнитное поле», «атомы», «причинно-следственные отношения», «энергия», даже «время» и «пространство» во многом произвольно созданы нашим воображением (а не окружающим миром) для того, чтобы классифицировать и привести в порядок наш сенсорный опыт. Альберт Эйнштейн писал:

Юм ясно видел, что некоторые понятия (например, причинность) не могут быть выведены из данных опыта логически... Все понятия, даже наиболее близкие к нашему опыту, с точки зрения логики являются произвольно выбранными условностями.

Смысл высказывания Эйнштейна заключается в том, что наши чувства в действительности не могут воспринять ничего похожего на «причины», они воспринимают лишь тот факт, что сначала произошло первое событие, а следом за ним - второе. К примеру, последовательность событий можно воспринимать так: «человек рубит дерево топором», затем «дерево падает», или «женщина говорит что-то ребенку», затем «ребенок начинает плакать», или «происходит солнечное затмение, а на следующий день - землетрясение». По мысли Эйнштейна, мы можем сказать, что «человек стал причиной падения дерева», «женщина стала причиной того, что ребенок заплакал», «солнечное затмение стало причиной землетрясения». Однако воспринимаем мы только последовательность событий, но не причини, которая является произвольно выбранным внутренним конструктом, применяемым к воспринятой взаимосвязи. С тем же успехом можно сказать, что «причиной падения дерева стала сила гравитации», «причиной того, что ребенок заплакал, стали его обманутые ожидания» или «причиной землетрясения стали силы, действующие на земную поверхность изнутри», - в зависимости от выбранной системы координат.

По Эйнштейну, основополагающие законы этого мира, которые мы учитываем, действуя в нем, не поддаются наблюдению в рамках нашего опыта. Говоря словами Эйнштейна, «теорию можно проверить опытом, по невозможно на основе опыта создать теорию».

Эта дилемма в равной степени относится к психологии, неврологии и, вероятно, любой другой области научного поиска. Чем ближе мы оказываемся к настоящим первичным взаимосвязям и законам, определяющим наш опыт и управляющим им, тем дальше мы отходим от всего, что подлежит непосредственному восприятию. Мы можем физически ощутить не фундаментальные законы и принципы, управляющие нашим поведением и нашим восприятием, а только их следствия. Если мозг попытается воспринять себя самое, единственным и неизбежным результатом окажутся белые пятна.

Знакомьтесь: Кристина Гептинг. Молодой прозаик из Великого Новгорода. Победитель литературной премии «Лицей» 2017 за повесть «Плюс жизнь». А еще филолог и мама двоих девочек. Мы встретились с Кристиной за чашкой кофе, чтобы поговорить о процессе писания как таковом и влиянии на него личности писателя.

Фото из личного архива Кристины Гептинг.

Ты здесь пишешь?

Именно здесь нет. А вообще, иногда пишу в кафе. Но все-таки нигде так хорошо не пишется, как дома. Недавно ездила в санаторий на Кавказ – думала, там без работы, без детей целую неделю буду только и делать, что писать. Но нет.

А как вообще ты пишешь? Выделяешь по часу в день или в перерывах между работами на бегу?

Пишу чаще всего по ночам. Почти по Буковски: «Писать днем – все равно что пробежаться голым по улице». Хотя в течение дня могу вносить в телефон какие-то мысли или удачную фразу, которая вдруг пришла... Получается, что наиболее продуктивно пишу тогда, когда выкраиваю на это буквально считанные часы – придя с работы и уложив дочек…

В век современных технологий ты пишешь сразу используя гаджеты или по старинке, на бумаге? Заранее продумываешь сюжет или герои сами ведут тебя?

Пишу всегда, в гугл-доках: это позволяет вернуться к тексту в любой момент, посмотреть историю правок. От руки пишу только некий план, синопсис будущего рассказа или повести. Почему-то так легче работать с текстом дальше.

Твой типичный читатель – каким ты его себе представляешь?

А когда ты пишешь, ты думаешь о реакциях читателе?

Нет, не думаю. Ведь предугадать реакции читателя невозможно. Все насколько по-разному воспринимают стиль текста, так что думать об этом нет смысла.

Получив премию «Лицей», ты прошла весь процесс от первых строк до публикации книги и награждения на Красной Площади. У тебя уже были переговоры по поводу экранизации повести. Событий много. А какой момент на протяжении этого пути был самым эмоционально ярким?

Я писала повесть ровно два месяца, еще полгода текст доводила до ума. Это были для меня очень счастливые дни: я погрузилась в текст до такой степени, что даже расстроилась, когда дописала – настолько жалко было расставаться с главным героем. Я, кстати, может быть, сильнее всего жду экранизации «Плюс жизни» именно потому, что для меня это будет возможностью снова встретиться с «моим мальчиком», пусть и в иной уже форме…

Возвращаясь к вопросу – ничего для меня нет более радостного, чем ощущение, что текст складывается, поэтому процесс работы над повестью я вспоминаю как один из самых наполненных отрезков жизни. Если выделить наиболее эмоционально яркий момент, то, пожалуй, это эпизод в тексте, когда герой прощает свою умершую мать, которая, в общем, и стала главной виновницей его бед. Я эту сцену, между прочим, изначально не придумывала, но я оживила героя, прежде всего, для себя. Поэтому верю, что он сам меня и привел к пониманию того, что такой момент в тексте должен быть, что он психологически обоснован.

Ты пишешь «потому что» или «для того чтобы»?...

Когда пишу, просто лучше себя чувствую. Если не пишу, то унываю, плохо сплю.

Часто слышу от писателей, что школьные уроки литературы совсем не оставили теплых воспоминаний. А ведь это такая возможность увлечь ребят! Что бы ты добавила в школьную программу по литературе или что бы точно убрала?

Мне кажется, вопрос не в том, что читать, а как это преподносить на уроках. И с этим-то в школе беда. Думаю, нужно, чтобы школьник мог соотнести то, о чем говорится в книге, со своим личным опытом: а он есть и у 13-летнего, и, тем более, у 17-летнего человека.

Ты говорила, что в шорт-листе премии много было сильных кандидатов. К сожалению, современных молодых русских писателей знают обычно только в своем литературном кругу. Кто из сегодняшних 25-30-летних кажется тебе сильным?

Действительно, шорт-лист «Лицея» был очень сильным. Тексты Константина Куприянова, Аиды Павловой, Сергея Кубрина я точно не считаю уступающими моему. Вообще, за творчеством литературных сверстников я слежу – всегда жду новую прозу Жени Декиной, Ольги Брейнингер, твою, Лена, тоже… Не буду сейчас всех имен называть – а то уж слишком длинным получится список.

А что касается того, что «нас никто не знает». На самом деле, это нормально. И писателей состоявшихся, признанных мастеров, знаешь ли, не сопровождает сейчас громкая слава… Можно спорить, справедливо ли это, однако факт: развлечений сегодня много самых разных, и далеко не всегда качественному сериалу умный читатель предпочтет качественную прозу. Это данность, которую просто надо принять.

Такой философский подход, наверное, во многом облегчает жизнь молодого писателя! А теперь блиц-опрос, отвечай, не задумываясь. По принципу «я называю эмоцию, а ты – автора или его произведение, которое ассоциируются у тебя с этой эмоцией». Готова?

Давай попробуем!

Поехали. Уныние?

Роман Сенчин, «Елтышевы».

Легкость?

Александр Пушкин, «Метель».

Замешательство?

Патрик Зюскинд, «Голубка». Хотя там, пожалуй, спектр эмоций.

Ужас?

Жития христианских святых.

Навязчивость?

Пьесы Чехова.

Нежность?

Патрик Зюскинд, «Контрабас». Много Зюскинда, но вот, правда, почему-то его тексты первыми всплывают на эти эмоции.

Интересный список получился! Спасибо тебе за разговор! Будешь в Москве – заглядывай к нам на факультет.

Елена Тулушева

>> Химия: Почему протекают химические реакции

Предсказание возможности осуществления той или иной реакции - одна из основных задач, которая стоит перед химиками.

На бумаге можно написать уравнение любой химической реакции («бумага все стерпит»), а возможна ли такая реакция практически?

В одних случаях (например, при обжиге известняка: СаСО3-> СаО + С02) достаточно повысить температуру, чтобы реакция началась, а в других (например, восстановление кальция из его оксида водородом: СаО + Н2 ->Са + Н20) реакцию невозможно осуществить ни при каких условиях!

Экспериментальная проверка возможности протекания той или иной реакции в разных условиях - дело трудоемкое и неэффективное. Но можно теоретически ответить на такой вопрос, основываясь на законах химической термодинамики (с которыми вы знакомились на уроках физики).

Один из наиболее важных законов природы (первый закон термодинамики) - это закон сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую.

В общем случае энергия объекта складывается из трех ее основных видов: кинетической, потенциальной, внутренней. Какой из этих видов наиболее важен при рассмотрении химических реакций? Конечно же внутренняя энергия (е)! Ведь она складывается из кинетической энергии движения атомов, молекул, ионов; из энергии их взаимного притяжения и отталкивания; из энергии, связанной с движением электронов в атоме, их притяжением к ядру, взаимным отталкиванием электронов и ядер, а также внутриядерной энергии.

Вам известно, что при химических реакциях одни химические связи разрушаются, а другие образуются; при этом изменяется электронное состояние атомов, их взаимоположение, а потому и внутренняя энергия продуктов реакции отличается от внутренней энергии реагентов.

Рассмотрим два возможных случая.

1. E реагентов > E продуктов. Исходя из закона сохранения энергии, в результате такой реакции энергия должна выделяться в окружающую среду: нагревается воздух, пробирка, автомобильный двигатель, продукты реакции.

Реакции, при которых выделяется энергия и нагревается окружающая среда, называют экзотермическими (рис. 23).

2. Е реагентов < Е продуктов. Исходя из закона сохранения энергии, следует предположить, что исходные вещества при таких процессах должны поглощать энергию из окружающей среды, температура реагирующей системы должна понижаться.

Реакции, при протекании которых энергия поглощается из окружающей среды, называют эндотермическими.

Энергия, которая выделяется или поглощается в химической реакции, называется, как вы знаете, тепловым эффектом этой реакции. Этот термин используют повсеместно, хотя точнее было бы говорить об энергетическом эффекте реакции.

Тепловой эффект реакции выражается в единицах энергии. Энергия отдельных атомов и молекул - величина незначительная. Поэтому тепловые эффекты реакций относят обычно к тем количествам веществ, которые определены уравнением, и выражают в Дж или кДж.

Уравнение химической реакции, в котором указан тепловой эффект, как вы уже знаете, называется термохимическим уравнением.

Например, термохимическое уравнение:

2Н2 + 02 = 2Н20 + 484 кДж

Знание тепловых эффектов химических реакций имеет большое практическое значение. Например, при проектировании химического реактора важно предусмотреть или приток энергии для поддержания реакции путем подогрева реактора, или, наоборот, отвод избытка теплоты, чтобы не было перегрева реактора со всеми вытекающими отсюда последствиями, вплоть до взрыва.

Если реакция проходит между несложными молекулами, то подсчитать тепловой эффект реакции достаточно просто.

Например:

Н 2 + Сl 2 -> 2НСl

Энергия затрачивается на разрыв двух химических связей Н-Н и Сl-Сl, энергия выделяется при образовании двух химических связей Н-Сl. Именно в химических связях сосредоточена важнейшая составляющая внутренней энергии соединения. Зная энергии этих связей, можно по разности узнать тепловой эффект реакции (Фр).

Eн-н = 436 кДж/моль, Есl-сl = 240 кДж/моль,

Eнсl = 430 кДж/моль,

Q p = 2 430 - 1 436 - 1 240 = 184 кДж.

Следовательно, данная реакция - экзотермическая.

А как, например, рассчитать тепловой эффект реакции разложения карбоната кальция? Ведь это соединение немолекулярного строения. Как точно определить, какие именно связи и сколько их разрушается, какова их энергия, какие связи и сколько их образуется в оксиде кальция?

Для расчета тепловых эффектов реакций используют значения величин теплот образования всех участвующих в реакции химических соединений (исходных и продуктов).

Теплота образования соединения (Qобр) - это тепловой эффект реакции образования одного моля соединения из простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (25 °С, 1 атм.).

При этих условиях теплота образования простых веществ равна нулю по определению.

С + 02 = С02 + 394 кДж

0,5Т2 + 0,502 = N0 - 90 кДж,

где 394 кДж и -90 кДж - теплоты образования С02 и N0 соответственно.

Если данное химическое соединение можно непосредственно получить из простых веществ, причем реакция идет количественно (100% -ный выход продуктов), достаточно провести реакцию и измерить ее тепловой эффект с помощью специального прибора - калориметра. Так определяют теплоты образования многих оксидов, хлоридов, сульфидов и т. п. Однако подавляющее большинство химических соединений трудно или невозможно непосредственно получить из простых веществ.

Например, сжигая уголь в кислороде , нельзя определить Qобр угарного газа СО, так как всегда идет и процесс полного окисления. В этом случае на помощь приходит закон, сформулированный в прошлом веке петербургским академиком Г. И. Гессом.

Тепловой эффект химической реакции не зависит от промежуточных стадий (при условии, что исходные вещества и продукты реакции одинаковы).

Знание теплот образования соединений позволяет оценить их относительную устойчивость, а также рассчитать тепловые эффекты реакций.

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования всех продуктов реакции минус сумма теплот образования всех реагентов (с учетом коэффициентов в уравнении реакции).

Организм человека - это уникальный «химический реактор», в котором идет множество разнообразных химических реакций. Их главное отличие от процессов, протекающих в пробирке, колбе, промышленной установке, состоит в том, что в организме все реакции протекают в «мягких» условиях (атмосферное давление, невысокая температура), при этом образуется мало вредных побочных продуктов.

Процесс окисления органических веществ кислородом - главный источник энергии, а его основные конечные продукты - С02 и Н20.

Эта выделившаяся энергия представляет собой большую величину, и если бы пища окислялась в организме быстро и полностью, то уже несколько съеденных кусочков сахара вызвали бы перегревание организма. Но биохимические процессы, суммарный тепловой эффект которых по закону Гесса не зависит от механизма и является постоянной величиной, идут ступенчато, как бы растянуты во времени. Поэтому организм не «сгорает», а экономно расходует эту энергию на процессы жизнедеятельности. Но всегда ли происходит так?

Каждый человек должен хотя бы приблизительно представлять, сколько энергии поступает в его организм с пищей и сколько расходуется в течение суток.

Одна из основ рационального питания такова: количество поступающей с пищей энергии не должно превышать расход энергии (или быть меньше) более чем на 5%, иначе нарушается обмен веществ, человек полнеет или худеет.

Энергетический эквивалент пищи - ее калорийность, выражаемая в килокалориях на 100 г продукта (часто указывают на упаковке, можно также найти в специальных справочниках и книгах по кулинарии). А расход энергии в организме зависит от возраста, пола, интенсивности труда. Например, женщине (секретарь, бухгалтер) требуется в сутки около 2100 ккал, а мужчине (лесоруб, бетонщик, шахтер) ежесуточно необходимы приблизительно 4300 ккал.

Наиболее полезно питание с невысокой калорийностью, но с наличием всех компонентов в пище (белков, жиров, углеводов, минеральных веществ, витаминов , микроэлементов).

Энергетическая ценность продуктов питания и теплотворная способность топлива связаны с экзотермическими реакциями их окисления. Движущей силой таких реакций является «стремление» системы к состоянию с наименьшей внутренней энергией.

Экзотермические реакции начинаются самопроизвольно, или требуется только небольшой «толчок» - первоначальная подача энергии.

А что же тогда является движущей силой эндотермических реакций, в ходе которых тепловая энергия поступает из окружающей среды и запасается в продуктах реакции, превращаясь в их внутреннюю энергию? Эта «сила» связана со стремлением любой системы к наиболее вероятному состоянию, которое характеризуется максимальным беспорядком, ее называют энтропией. Например, молекулы, входящие в состав воздуха, не падают на Землю, хотя минимуму потенциальной энергии каждой молекулы соответствует наиболее низкое ее положение, так как стремление к наиболее вероятному состоянию заставляет молекулы беспорядочно распределяться в пространстве.

Представьте, что вы в стакан насыпали разные орехи. Практически невозможно добиться при встряхивании их расслоения, упорядоченности, так как и в этом случае система будет стремиться к наиболее вероятному состоянию, при котором беспорядок в системе возрастает, поэтому орехи всегда будут перемешаны. Причем чем больше частиц мы имеем, тем вероятность беспорядка больше. Самый большой порядок в химических системах - в идеальном кристалле при температуре абсолютного нуля. Говорят, что энтропия в данном случае равна нулю. С повышением температуры в кристалле начинают усиливаться беспорядочные колебания атомов (молекул, ионов). Энтропия увеличивается. Особенно резко это происходит в момент плавления при переходе от твердого тела к жидкости и еще в большей степени - в момент испарения при переходе от жидкости к газу.

Энтропия газов значительно превышает энтропию жидких и тем более твердых тел. Если вы прольете немного бензина в закрытом помещении, например в гараже, то скоро почувствуете его запах во всем объеме помещения. Происходит испарение (эндотермический процесс) и диффузия, беспорядочное распределение паров бензина по всему объему. Пары бензина имеют большую энтропию по сравнению с жидкостью.

Процесс кипения воды с энергетической точки зрения тоже эндотермический процесс, но выгоден с точки зрения увеличения энтропии при переходе жидкости в пар. При температуре 100 °С энтропийный фактор «перетягивает» энергетический - вода начинает кипеть - пары воды имеют большую энтропию по сравнению с жидкой водой.

Таблица 11 Некоторые значения стандартной молярной энтропии

Анализируя данные, приведенные в таблице 11, обратите внимание, насколько мало значение энтропии для алмаза, имеющего очень правильную структуру. Вещества, образованные более

Стандартная молярная энтропия - это значение энтропии для 1 моль вещества при температуре 298 К и давлении 10 5 Па.

сложными частицами, обладают очень большими значениями энтропии. Например, энтропия этана больше энтропии метана. Эндотермические реакции - это как раз те реакции, в которых наблюдается достаточно сильный рост энтропии, например, за счет образования газообразных продуктов из жидких или твердых веществ или же за счет увеличения числа частиц. Например:

СаС03 -> СаО + С02 - Q

Сделаем выводы:

1. Направление химической реакции определяется двумя факторами: стремлением к уменьшению внутренней энергии с выделением энергии и стремлением к максимальному беспорядку, то есть к увеличению энтропии.

2. Эндотермическую реакцию можно заставить идти, если она сопровождается увеличением энтропии.

3. Энтропия увеличивается при повышении температуры и особенно сильно при фазовых переходах: твердое - жидкое, твердое - газообразное.

4. Чем выше температура, при которой проводят реакцию, тем большее значение будет иметь энтропийный фактор по сравнению с энергетическим.

Существуют экспериментальные и теоретические методы определения знтропий различных химических соединений. Используя эти методы, можно количественно рассчитать изменения энтропии при протекании конкретной реакции аналогично тому, как это делается для теплового эффекта реакции. В результате появляется возможность предсказать направление химической реакции (табл. 12).

Составлены специальные справочные данные, которые включают сравнительную характеристику этих величин с учетом температуры.

Вернемся к случаю № 2 (см. табл. 12).

Все живое на нашей планете - от вирусов и бактерий до человека - состоит из высокоорганизованной материи, которая более упорядочена по сравнению с окружающим миром. Например, белок. Вспомните его структуры: первичная, вторичная, третичная. Вы уже хорошо знакомы и с «веществом наследственности» - ДНК, молекулы которого состоят из расположенных в строго определенной последовательности структурных единиц. Значит, синтез белка или ДНК сопровождается огромным уменьшением энтропии.

Tаблица 12 Возможность протекания химических реакций в зависимости от изменения энергии и энтропии

Кроме того, исходный строительный материал для роста растений и животных образуется в самих растениях из воды Н20 и углекислого газа С02 в процессе фотосинтеза:

6Н20 + 6С02(г) -> С6Н1206 + 602(г)

В этой реакции энтропия уменьшается, идет реакция с поглощением световой энергии. Значит, процесс эндотермический! Таким образом, реакции, которым мы обязаны жизнью, оказываются термодинамически запрещенными. Но они идут! А используется при этом энергия световых квантов в видимой области спектра, которая намного больше тепловой энергии (инфракрасных квантов). В природе эндотермические реакции с уменьшением энтропии, как вы видите, протекают в определенных условиях. Химики пока не могут создать такие условия искусственно.

1. При сгорании 7 г этилена выделяется 350 кДж теплоты. Определите тепловой эффект реакции.

2. Термохимическое уравнение реакции полного сгорания ацетилена:

2С2Н2 + 502 = 4С02 + 2Н20 + 2610 кДж Сколько теплоты выделяется при использовании 1,12 л ацетилена?

3. При соединении 18 г алюминия с кислородом выделяется 547 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

4. На основании того, что при сжигании 6,5 г цинка выделяется теплота, равная 34,8 кДж, определите теплоту образования оксида цинка.

5*. Определите тепловой эффект реакции:

2С2Н6(г) + 702(г) -> 4С02(г) + 6Н20(г), если

Qобр (Н20)(г) = 241,8 кДж/моль;

Qобр (С02)(г) = 393,5 кДж/моль;

Qобр (С2Н6)(г) = 89,7 кДж/моль.

6*. Определите теплоту образования этилена, если

С(тв) + 02(г) = С02(г) +393,5 кДж,

Н2(г) + 0,502(г) = Н20 + 241,8 кДж,

С2Н4(г) + 302(г) = 2С02(г) + 2Н20(г) + 1323 кДж.

7*. Вычислите тепловые эффекты реакций, протекающих в организме:

а) С6Н1206(т) -> 2С2Н5ОН(ж) + 2С02(г);

б) С6Н1206(т) + 602(г) -> 6С02(г) + 6Н20 (ж), если Qобр (Н20)(ж) = 285,8 кДж/моль;

Q обр (C02)(г) (см- задачи 5 и 6);Q обр (С2Н50Н)(ж) = 277,6 кДж/моль; Q обр (С6Н1206)(т) = 1273 кДж/моль.

8*. Исходя из следующих данных:

FеО(т) + СО(г) -> Fе(т) + С02(г) + 18,2 кДж, 2СО(г) + 02(г) -> 2С02(г) + 566 кДж, Q обр(Н2O)(г) = 241,8 кДж/моль, вычислите тепловой эффект реакции:

FеО(т) + Н2(г) -> Fе(т) + Н20(г).

презентация урока