Самопроизвольно реакция может протекать только в направлении уменьшения энергии Гиббса.

Из этого следует, что в изобарно-изотермических условиях в изолированной системе самопроизвольно протекают те процессы, которые сопровождаются увеличением энтропии.

Действительно, в изолированной системе теплообмен невозможен, следовательно, DH = 0 и DG » -T×DS. Отсюда видно, что если DS>0, то DG < 0 и, следовательно, процесс может самопроизвольно протекать в прямом направлении.

Другая формулировка II закона термодинамики:

Невозможен некомпенсированный переход теплоты от менее нагретых тел к более нагретым[7].

Вычислить свободную энергию реакции (изменение свободной энергии реакции) можно не только по уравнению Гиббса (16), но и по свободным энергиям Гиббса образования веществ (табличные данные).

Стандартным изменением энергии Гиббса (энергией Гиббса) образования вещества называется изменение энергии Гиббса образования 1 моль вещества в стандартном состоянии из соответствующих простых веществ, также взятых в стандартных состояниях. При этом стандартные энергии Гиббса образования простых веществ в наиболее устойчивых их формах принимаются равными нулю: ΔG^o_обр.(Н₂) = 0; ΔG^o_обр.(О₂) = 0.

Рассчитывая энтропию и энергию Гиббса химических реакций, руководствуются законом Гесса.

Так, для реакции:

aA + bB = cC + dD

	(17)
	(18)

Процессы, в которых энергия Гиббса убывает ΔG_р-я < 0, называются экзэргоническими,а при которых энергия Гиббса возрастает ∆G_р-я > 0, называются эндэргоническими,самопроизвольно они не протекают.

Эндэргонические процессы реализуются в природе в том случае, если они сопряжены с какими-то экзэргоническими реакциями:

Например, в организме реализуется реакция:

глюкоза + фруктоза = сахароза + вода; ΔG⁰_р-я = +21 кДж.

Это эндэргоническая реакция, т.к. ΔG^o_р-я > 0. Она сопряжена с экзэргонической реакцией:

АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄; ΔG^o_р-я = ‑30,5 кДж.

В таблице 1 показана возможность (или невозможность) самопроизвольного протекания реакции при различных сочетаниях знаков DH и DS.

Таблица 1. Направление протекания реакций при различных знаках DH и DS.

Знак изменения функции	Возможность (невозможность) самопроизвольного протекания реакции	Пример реакции
DH	DS	DG
-	+	-	Возможно при любых температурах	C6H6 + 7,5O2 = 6CO2 + 3H2O
+	-	+	Невозможно при любых температурах	N2 + 2O2 = 2NO2
-	-	±	Возможно при достаточно низких температурах	3H2 + N2 = 2NH3
+	+	±	Возможно при достаточно высоких температурах	N2O4 = 2NO2

Развитие растений и животных происходит самопроизвольно, сопровождается образованием более сложных структур и, следовательно, приводит к уменьшению энтропии, ΔS < 0. Это возможно только потому, что неограниченно используется энергия Солнца, и энтальпийный фактор преодолевает противодействующий развитию энтропийный фактор.

Биоэнергетика

В процессе жизнедеятельности организм человека получает и расходует энергию. Даже в состоянии покоя организм взрослого человека расходует около 6000 кДж теплоты в сутки, что компенсируется энергией от принимаемой пищи. Эта минимальная энергия метаболизма сопоставима с энергией электрической лампочки мощностью 70 Вт.

Любое движение организма, любая работа, даже пищеварение, усиливают выделение тепла. Так, при лёгкой физической работе человеку необходимо 8400-12000 кДж в сутки, а при тяжелой - 16700-20900 кДж в сутки.

Установлено, что при окислении 1 г основных питательных веществ выделяются следующие количества теплоты: жиров - 39,5 кДж, углеводов - 17,1 кДж, белков - 22,3 кДж.

Для поддержания энергетического баланса человеку требуется количество энергии, равное отданной теплоте. Зная состав отдельных питательных веществ и их энтальпии сгорания, можно рассчитать количество необходимых для питания человека продуктов. При избыточном или нерациональном потреблении питательных веществ часть продуктов не усваивается и откладывается организмом в депо в виде жировой подкожной клетчатки, вызывая ожирение.

Рассмотрим в качестве примера ситуационную задачу.

Ситуационная задача №1

Дама, соблюдающая фигуру, на вечеринке не удержалась и съела в составе торта 40 г жиров и 60 г углеводов. Рассчитать количество энергии, которое выделится в организме этой женщины, и время, в течение которого дама должна заниматься аэробикой, чтобы скомпенсировать излишества. Расход энергии при занятиях аэробикой составляет 1420 кДж/час.

Решение.

Общее количество энергии (теплоты), выделившейся в организме этой женщины, равно:

40×39,5 + 60×17,1 = 2606 кДж.

Поделив количество энергии на расход, получим:

Ответить на этот вопрос можно и при помощи следствий из закона Гесса. Если считать условия в организме человека близкими к стандартным, а окисление углеводов (например, глюкозы) предельным и протекающим по уравнению:

С₆H₁₂O_6(тв.) + 6O_2(газ) = 6CO_2(газ) + 6H₂O_(жидк.),

то согласно I следствию из закона Гесса:

= (6× CO₂ + 6× H₂O) - С₆H₁₂O₆ =

= (6×(-394) + 6×(-286)) - (-1274) = -2806 кДж/моль.

Стандартное значение энтальпии реакции соответствует превра-щению 1 моль вещества. В случае, когда превращению подвергается иное количество вещества, энтальпия реакции равна:

DH = n×DH⁰,

где n - количество вещества.

В данном случае количество глюкозы равно:

,

а количество энергии (энтальпия реакции):

DH = 0,33×(-2806) » -926 кДж.

Аналогичным образом можно рассчитать и энергию, полученную организмом в результате предельного окисления жиров и белков.

Главным источником энергии для многих биологических процессов - от биосинтеза белка и ионного транспорта до сокращения мышц и электрической активности нервных клеток - является реакция гидролиза АТФ:

АТФ + H₂O = АДФ + Н₃РО₄; DG⁰ = -30,5 кДж/моль

Эта реакция является экзэргонической, при стандартных условиях протекает в прямом направлении с выделением энергии.

В некоторых случаях возможно протекание в прямом направлении и эндэргонических реакций. Так, реакция прямого фосфорилирования глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата является эндэргонической:

1) Глюкоза + Н₃РО₄ Глюкозо-6-фосфат + Н₂О;

ΔG⁰ = +13,8 кДж/моль

Для протекания такой реакции в прямом направлении необходимо её сопряжение с экзэргонической реакцией (2), величина свободной энергии которой по модулю больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы:

2) АТФ + H₂O АДФ + Н₃РО₄ ΔG⁰ = -30,5 кДж/моль.

При сопряжении процессов (1) и (2) фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях:

3) Глюкоза + АТФ Глюкозо-6-фосфат + АДФ

ΔG⁰ = -16,7 кДж/моль.

Примеры решения задач

Задача №1

Некоторая реакция протекает с уменьшением энтропии. Определить, при каком условии возможно самопроизвольное протекание данной реакции.

Решение.

Условием самопроизвольного протекания реакции является уменьшение свободной энергии Гиббса, т.е. DG < 0. Изменение DG можно рассчитать по формуле:

DG = DH - T×DS

Так как в ходе реакции энтропия уменьшается (DS < 0), то энтропийный фактор препятствует самопроизвольному протеканию данной реакции. Таким образом, самопроизвольное протекание данной реакции может обеспечить только энтальпийный фактор. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1) DH < 0 (реакция экзотермическая);

2) .

Задача №2

Эндотермическая реакция разложения протекает самопроиз-вольно. Оценить изменение энтальпии, энтропии и величины свободной энергии Гиббса.

Решение.

1) Так как реакция эндотермическая, то DH > 0.

2) В реакциях разложения энтропия возрастает, следовательно DS > 0.

3) Самопроизвольное протекание реакции означает, что DG < 0.

Задача №3

Вычислить стандартную энтальпию хемосинтеза, протекающего в бактериях Thiobacillus denitrificans:

6KNO_3(тв.) + 5S_(тв.) + 2CaCO_3(тв.) = 3K₂SO_4(тв.) + 2CaSO_4(тв.) + 2CO_2(газ) + 3N_2(газ)

по значениям стандартных энтальпий образования веществ:

	K2SO4	CaSO4	CO2	KNO3	CaCO3
, кДж/моль	-1438	-1432	-393,5	-493	-1207

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

Решение.

Запишем выражение первого следствия из закона Гесса с учетом того, что стандартные энтальпии образования серы и азота равны нулю:

= (3× K₂SO₄ + 2× CaSO₄ + 2× CO₂) -

- (6× KNO₃ + 2× CaCO₃) = 3×(-1438) + 2×(-1432) +

+ 2×(-393,5) - [6×(-493) + 2×(-1207)] = -2593 кДж.

Так как < 0, то реакция экзотермическая.

Задача №4

Вычислить стандартную энтальпию реакции:

2C₂H₅OH_(жидк.) = C₂H₅OC₂H_5(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 учётом того, что стандартная энтальпия сгорания воды (высший оксид) равна нулю:

= 2× C₂H₅OH - C₂H₅OC₂H₅ =

= 2× (-1368) - (-2727) = -9 кДж.

Следствия из закона Гесса позволяют вычислять не только стандартные энтальпии реакций, но и величины стандартных энтальпий образования и сгорания веществ по косвенным данным.

Задача №5

Определить стандартную энтальпию образования оксида углерода (II) по следующим данным:

(1)	C(тв.) + О2(газ) = СО2(газ);	= -393,5 кДж/моль;
(2)	СО(газ) + 0,5О2(газ) = СО2(газ);	= -283,0 кДж/моль.

Решение.

Из уравнения (1) видно, что стандартное изменение энтальпии данной реакции соответствует стандартной энтальпии образования CO₂.

Запишем выражение первого следствия из закона Гесса для реакции (2):

= CO₂ - CO.

Отсюда:

CO = CO₂ - .

Подставим значения и получим:

CO = -293,5 - (-283) = -110,5 кДж/моль.

Эту задачу можно решить и другим способом.

Вычитая из первого уравнения второе, получим:

(1) - (2)

C(тв.) + 0,5О2(газ) = СО(газ);

CO = -110,5 кДж/моль.

Задача №6

Вычислить стандартную энтропию реакции:

CH_4(газ) + Cl_2(газ) = CH₃Cl_(газ) + HCl_(газ),

по значениям стандартных энтропий веществ:

	CH3Cl	HCl	CH4	Cl2
, Дж/(моль×K)

Решение.

Стандартную энтропию реакции вычислим по формуле (17):

= ( CH₃Cl + HCl) - ( CH₄ + Cl₂) = 234 + 187 - (186 +
+ 223) = 12 Дж/(моль×K).

Задача №7

Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции:

C₂H₅OH_(жидк.) + H₂O_2(жидк.) = CH₃COH_(газ) + 2H₂O_(жидк.)

по следующим данным:

	CH3COH	C2H5OH	H2O	H2O2
, кДж/моль	-128	-175	–237	–121

Определить, возможно ли самопроизвольное протекание данной реакции при стандартных условиях.

Решение.

Стандартную энергию Гиббса реакции вычислим по формуле (18):

= ( CH₃COH + 2× H₂O) - ( C₂H₅OH + H₂O₂) = -128 + 2× (-237) - [(-175) + (-121)] = -306 кДж/моль.

Так как < 0, то самопроизвольное протекание данной реакции возможно.

Задача №8

Рассчитать стандартную энергию Гиббса для реакции окисления глюкозы:

С₆H₁₂O_6(тв.) + 6O_2(газ) = 6CO_2(газ) + 6H₂O_(жидк.).

по известным данным:

	H2O	CO2	С6H12O6	O2
, кДж/моль	-286	-393,5	–1274,5
, Дж/(моль×K)

Решение.

Значения стандартных энтальпии и энтропии реакции рассчитаем при помощи первого следствия из закона Гесса:

= 6× CO₂ + 6× H₂O - С₆H₁₂O₆ - 6 O₂ =

= 6×(-393,5) + 6×(-286) - (-1274,5) - 6×0 = -2803 кДж;

= 6× СО₂ + 6× H₂O - С₆H₁₂O₆ - 6× O₂ =

= 6×214 + 6×70 - 212 - 6×205 = 262 Дж/K = 0,262 кДж/K.

Стандартную энергию Гиббса реакции найдем из соотношения:

= - T× = -2803 кДж - 298,15 K×0,262 кДж/K =

= -2881 кДж.

Задача №9

Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции гидратации сывороточного альбумина при 25⁰С, для которой DH⁰ = -6,08 кДж/моль; DS⁰ = -5,85 Дж/(моль×K). Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора.

Решение.

Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитаем по формуле:

DG⁰ = DH⁰ - T×DS⁰.

Подставив значения, получим:

DG⁰ = -6,08 кДж/моль - 298 K×(-5,85×10^-3) кДж/(моль×K) =

= -4,34 кДж/моль.

В данном случае энтропийный фактор препятствует протеканию реакции, а энтальпийный - способствует. Самопроизвольное протекание реакции возможно при условии, если , т.е., при низких температурах.

Задача №10

Определить температуру, при которой самопроизвольно пойдет реакция денатурации трипсина, если = 283 кДж/моль, = 288 Дж/(моль×K).

Решение.

Температуру, при которой равновероятны оба процесса найдём из соотношения:

В данном случае энтальпийный фактор препятствует протеканию реакции, а энтропийный - способствует. Самопроизвольное проте-кание реакции возможно при условии, если:

Таким образом, условием самопроизвольного протекания процесса является T > 983 K.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое термодинамическая система? Какие типы термодина-мических систем вы знаете?

2. Перечислите известные Вам термодинамические параметры. Какие из них относятся к измеряемым? Какие к неизмеряемым?

3. Что такое термодинамический процесс? Как называются процессы, протекающие при постоянстве одного из параметров?

4. Какие процессы называют экзотермическими? Какие эндотер-мическими?

5. Какие процессы называют обратимыми? Какие необратимыми?

6. Что понимают под термином «состояние системы»? Какие бывают состояния системы?

7. Какие системы изучает классическая термодинамика? Сформулируйте первый и второй постулаты термодинамики.

8. Какие переменные называют функциями состояния? Перечислите известные вам функции состояния.

9. Что такое внутренняя энергия? Можно ли измерить внутрен-нюю энергию?

10. Что такое энтальпия? Какова её размерность?

11. Что такое энтропия? Какова её размерность?

12. Что такое свободная энергия Гиббса? Как её можно вычислить? Что можно определить при помощи этой функции?

13. Какие реакции называют экзэргоническими? Какие эндэрго-ническими?

14. Сформулируйте первый закон термодинамики. В чем заключается эквивалентность теплоты и работы?

15. Сформулируйте закон Гесса и следствия из него. Что такое стандартная энтальпия образования (сгорания) вещества?

16. Сформулируйте второй закон термодинамики. Какие процессы самопроизвольно протекают в изолированной системе?

Варианты задач для самостоятельного решения

Вариант № 1

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции хемосинтеза, протекающую в бактериях Nitrosomonas:

NH_3(газ) + 1,5O_2(газ) = HNO_2(р-р) + H₂O_(жидк.),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	NH3	HNO2	H2O
, кДж/моль	-46	-119	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энтропию реакции:

С₂H_6(газ) + H_2(газ) = 2CH_4(газ),

используя следующие значения:

	C2H6	CH4	H2
, кДж/моль	-1560	-890	-286
, Дж/(моль×K)

3. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции гидратации b-лактоглобулина при 25⁰С, для которой DH⁰ = -6,75 кДж, DS⁰ = -9,74 Дж/K. Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №2

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции окисления твёрдого глицина:

NH₂CH₂COOH_(тв) + 1,5O_2(газ) = 2СO_2(газ) + H₂O_(жидк.) + NH_3(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	NH2CH2COOH	СO2	H2O	NH3
, кДж/моль	-537	-394	-286	-46

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энергию Гиббса реакции:

С₂H_2(газ) + 2H_2(газ) = C₂H_6(газ),

используя следующие значения:

	C2H2	C2H6	H2
, кДж/моль	-1300	-1560	-286
, кДж/моль		-33

3. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции тепловой денатурации химотрипсиногена при 50⁰С, для которой DH⁰ = 417 кДж, DS⁰ = 1,32 кДж/K. Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №3

1. Рассчитать массу углеводов, необходимую для того, чтобы восполнить потерю энергии в 3000 кДж. Считать, что окисление углеводов в организме является предельным и протекает по уравнению:

С₁₂H₂₂O_11(р-р) + 12O_2(газ) = 12CO_2(газ) + 11H₂O_(жидк.),

если:

	С12H22O11(р-р)	CO2(газ)	H2O(жидк.)
, кДж/моль	-2215	-394	-286

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции гидрирования бензола до циклогексана двумя способами, т.е., используя значения стандартных энтальпий образования и сгорания веществ:

	C6H6	C6H12	H2
, кДж/моль		-156
, кДж/моль	-3268	-3920	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

3. Оценить возможность самопроизвольного протекания реакции превращения пировиноградной кислоты в уксусный альдегид и оксид углерода (IV):

CH₃COCOOH_(р-р) = CH₃COH_(газ) + CO_2(газ)

при стандартных условиях, если:

	CH3COCOOH	CH3COH	CO2
, кДж/моль	-596	-166	-394
, Дж/(моль×K)	171,5

Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №4

1. Вычислить стандартную энтальпию хемосинтеза, протекаю-щего в автотрофных бактериях Beggiatoa и Thiothrix, по стадиям и суммарно:

2H₂S_(газ) + O_2(газ) = 2H₂O_(жидк.) + 2S_(тв.);

2S_(тв.) + 3O_2(газ) + 2H₂O_(жидк.) = 2H₂SO_4(жидк.),

если:

	H2S	H2O	H2SO4
, кДж/моль	-20	-286	-814

2. Вычислить стандартную энтальпию и энтропию реакции:

3C₂H_2(газ) = C₆H_6(жидк.),

используя следующие данные:

	C2H2	C6H6
, кДж/моль	-1300	-3268
, Дж/(моль×K)

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

3. Оценить роль энтальпийного и энтропийного факторов для реакции гидролиза мочевины:

CO(NH₂)_{2 (р-р)} + Н₂О_(жидк.) = 2NH_{3 (р-р)} + СО_{2 (р-р)}

по известным данным:

	CO(NH2)2	Н2О	NH3	СО2
, кДж/моль	-319	-286	-80	-414
, Дж/(моль×K)

Определить температуру, при которой реакция пойдет самопроизвольно.

Вариант №5

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции окисления глицина в растворе:

2NH₂CH₂COOH_(р-р) + 3O_2(газ) = СO(NH₂)_2(р-р) + 3H₂O_(жидк.) + 3CO_2(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	NH2CH2COOH	H2O	СO(NH2)2	CO2
, кДж/моль	-523	-286	-319	-394

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

С₆H₅NO_2(жидк.) + 3H_2(газ) = С₆H₅NH_2(жидк.) + 2H₂O_(жидк.),

используя значения стандартных энтальпий сгорания веществ:

	С6H5NO2	С6H5NH2	H2
, кДж/моль	-3093	-3396	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

3. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции денатурации трипсина при 50⁰С, для которой DH⁰ = 283 кДж, DS⁰ = 288 Дж/K. Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №6

1. Вычислить стандартную энтальпию хемосинтеза, протекаю-щего в автотрофных бактериях Thiobacillus Thioparus:

5Na₂S₂O₃×5H₂O_(тв.) + 7O_2(газ) = 5Na₂SO_4(тв.) + 3H₂SO_4(ж.) + 2S_(тв.) + 22H₂O_(ж.),

если:

	Na2S2O3×5H2O	Na2SO4	H2SO4	H2O
, кДж/моль	-2602	-1389	-814	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энергию Гиббса реакции:

CH₃COH_(жидк.) + H_2(газ) = C₂H₅OH_(жидк.)

по следующим данным:

	CH3COH	C2H5OH	H2
, кДж/моль	-1166	-1368	-286
, кДж/моль	-128	-175

3. Определить возможность самопроизвольного протекания реакции гидролиза дипептида глицил-глицина:

NH₂CH₂CONHCH₂COOH_(р-р) + H₂O_(жидк.) = 2NH₂CH₂COOH_(р-р)

глицил-глицин

при стандартных условиях, если:

	глицил-глицин	H2O(жидк.)	NH2CH2COOH
, кДж/моль	-734		-523
, Дж/(моль×K)

Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №7

1. Вычислить стандартную энтальпию образования CH₃OH по следующим данным:

CH₃OH_(жидк.) + 1,5O_2(газ) = CO_2(газ) + 2H₂O_(жидк.) DH⁰ = -726,5 кДж;

С_{(графит)} + O_2(газ) = CO_2(газ) DH⁰ = -394 кДж;

H_2(газ) + 0,5O_2(газ) = H₂O_(жидк.) DH⁰ = -286 кДж.

2. Вычислить стандартную энтальпию сгорания сероуглерода CS₂ по следующим данным:

CS_2(жидк.) + 3O_2(газ) = CO_2(газ) + 2SO_2(газ) DH⁰ = -1078 кДж;

SO_2(газ) + 0,5O_2(газ) = SO_3(газ) DH⁰ = -98 кДж.

3. Вычислить DG⁰ процесса:

АТФ + аланин + глицин = АДФ + Н₃РО₄ + аланилглицин,

если известно:

АТФ + H₂O = АДФ + Н₃РО₄ DG⁰ = –30,5 кДж/моль;

аланин + глицин = аланилглицин + H₂O DG⁰ = 17,2 кДж/моль.

Определить направление протекания процесса.

Вариант №8

1. Вычислить значение DH⁰ для возможных реакций превращения глюкозы:

1) C₆H₁₂O_6(р-р) = 2C₂H₅OH_(р-р) + 2CO_2(газ);

2) C₆H₁₂O_6(р-р) = 2С₃H₆O_3(р-р).

по известным данным:

	C6H12O6	C2H5OH	CO2	С3H6O3
, кДж/моль	-1275	-278	-394	-686

В результате какой из этих реакций выделяется большее количество энергии?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энтропию реакции:

С₃H_6(газ) + H_2(газ) = С₃H_8(газ),

используя следующие значения:

	C3H6	С3H8	H2
, кДж/моль	-2058	-2220	-286
, Дж/(моль×K)

3. Оценить возможность самопроизвольного окисления хлороформа CHCl₃ кислородом воздуха:

CHCl_{3 (газ)} + O_2(газ) = CO_2(газ) + HCl _(газ) + Cl_{2 (газ)},

при стандартных условиях, если:

	CHCl3	CO2	HCl	O2	Cl2
, кДж/моль	-100	-394	-92
, Дж/(моль×K)

Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №9

1. Вычислить стандартную энтальпию образования Ca₃(PO₄)₂ по следующим данным:

3CaO_(тв.) + P₂O_5(тв.) = Ca₃(PO₄)_2(тв.) DH⁰ = -739 кДж;

P_4(тв.) + 5O_2(газ) = 2P₂O_5(тв.) DH⁰ = -2984 кДж;

Ca_(тв.) + 0,5O_2(газ) = CaO_(тв.) DH⁰ = -636 кДж.

2. При растворении 49 г серной кислоты в 800 г воды температура раствора повысилась на 11,8⁰С. Принимая удельную теплоёмкость раствора, равной 3,76 Дж/(г×K), рассчитать стандартную энтальпию растворения серной кислоты.

3. Оценить возможность самопроизвольного протекания реакции:

2CO_(газ) + 2H₂O_(жидк) = CH₃COOH_(жидк) + O_2(газ),

при стандартных условиях, если:

	CO	H2O	CH3COOH	O2
, кДж/моль	-110	-286	-485
, Дж/(моль×K)

Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №10

1. Вычислить стандартную энтальпию образования этанола по следующим данным:

DH⁰_сгор.C₂H₅OH_(жидк.) = -1368 кДж/моль;

С_{(графит)} + O_2(газ) = CO_2(газ) +394 кДж;

H_2(газ) + 0,5O_2(газ) = H₂O_(жидк.) +286 кДж.

2. Вычислить стандартную энтальпию и энергию Гиббса реакции:

C₄H_8(газ) + 2O_2(газ) = 2CH₃COOH_(жидк.)

по следующим данным:

	C4H8	CH3COOH	O2
, кДж/моль	-2710	-875
, кДж/моль		-390

3. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции гидратации яичного альбумина при 25⁰С, для которой DH⁰ = -6,58 кДж/моль, DS⁰ = -9,5 Дж/(моль×К). Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №11

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

4NH_3(газ) + 5O_2(газ) = 4NO_(газ) + 6H₂O_(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	NH3	NO	H2O
, кДж/моль	-46		-242

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. В организме человека окисление этанола протекает в две стадии:

1) C₂H₅OH_(р-р) + 0,5O_2(газ) = CH₃COH_(р-р) + H₂O_(жидк.) DH⁰ = -256 кДж;

2) CH₃COH_(р-р) + 0,5O_2(газ) = CH₃COOH_(р-р) DH⁰ = -237 кДж.

Рассчитать стандартную энтальпию прямого превращения этанола в уксусную кислоту.

3. При 37⁰C величины DH⁰ и DG⁰ для гидролиза АТФ равны соответственно +24,3 и -30,5 кДж/моль. Вычислить стандартную энтропию этой реакции и определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №12

1. В ходе реакции окисления аммиака

4NH_3(газ) + 3O_2(газ) = 2N_2(газ) + 6H₂O_(жидк.)

образовалось 2,24 л азота и при этом выделилось 76,5 кДж теплоты. Вычислить NH₃, если H₂O = -286 кДж/моль.

2. Вычислить стандартную энтальпию и энтропию реакции:

СO_(газ) + 3H_2(газ) = СH_4(газ) + H₂O_(газ),

используя следующие значения:

	СO	СH4	H2	H2O
, кДж/моль	-284	-890	-286
, Дж/(моль×K)

3. Определить направление протекания процесса:

D-глюкоза + АТФ = D-фруктоза-6-фосфат + АДФ,

если для реакции:

D-глюкоза + АТФ = D-глюкоза-6-фосфат + АДФ

величина DG⁰ равна –16,7 кДж/моль, а для сопряжённой с ней реакции:

D-глюкоза-6-фосфат = D-фруктоза-6-фосфат

DG⁰ составляет +1,7 кДж/моль.

Вариант №13

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

4L-аланин_(р-р) + 15O_{2 газ} = 12CO_{2 газ} + 14H₂O_(жидк.) + 2N_{2 газ}

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	L-аланин	CO2	H2O
, кДж/моль	-563	-394	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энергию Гиббса реакции:

CH_4(газ) + CO_2(газ) = 2CO_(газ) + 2H_2(газ)

по следующим данным:

	CH4	CO2	CO	H2
, кДж/моль	-890		-284	-286
, кДж/моль	-51	-394	-137

3. Определить, возможен ли метаболизм глюкозы в следующем направлении при 37⁰С:

C₆H₁₂O_6(р-р) = C₃H₇COOH_(р-р) + 2CO_2(газ) + 2H_2(газ)

если:

	C6H12O6	CO2	C3H7COOH	H2
, кДж/моль	-1264		-524
, Дж/(моль×K)

Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой возможен данный процесс.

Вариант №14

1. Вычислить стандартную энтальпию предельного окисления лимонной кислоты:

C₆H₈O_7(р-р) + 5O_{2 газ} = 12CO_{2 газ} + 14H₂O_(жидк.)

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	C6H8O7	CO2	H2O
, кДж/моль	-1838	-394	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энтропию реакции:

CO_(газ) + 2H_2(газ) = CH₃OH_(жидк.),

используя следующие значения:

	СO	H2	CH3OH
, кДж/моль	-284	-286	-726
, Дж/(моль×K)

3. Для некоторой реакции DS⁰ = -100 Дж/(моль×K); DH⁰ = -50 кДж/моль. Определить направление протекания процесса при 227⁰С. Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора. Определить температуру, при которой данный процесс будет протекать в прямом направлении.

Вариант №15

1. Для затвердевания пломбировочных материалов используют реакцию:

3MgO_(тв.) + 2H₃PO_4(р-р) = Mg₃(PO₄)_{2 (тв.)} + 3H₂O_(жидк.)

Вычислить стандартную энтропию реакции, используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	MgO	H3PO4	Mg3(PO4)2	H2O
, кДж/моль	-602	-1277	-3384	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энтропию реакции:

2C₂H₅OH_(жидк.) = C₄H_6(газ) + 2H₂O_(жидк.) + H_2(газ)

используя следующие значения:

	C4H6	C2H5OH	H2	H2O
, кДж/моль	-2544	-1368	-286
, Дж/(моль×K)

3. Определить, возможен ли при стандартных условиях процесс самопроизвольного затвердевания гипса:

CaSO_4(тв.) + 2H₂O_(жидк.) = CaSO₄×2H₂O_(тв.)

если:

	CaSO4	CaSO4×2H2O	H2O
, кДж/моль	-1432	-1762	-286
, Дж/(моль×K)

Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора.Определить температуру, при которой данный процесс будет протекать в прямом направлении.

Вариант №16

1. Предельное окисление L-глутаминовой кислоты происходит по уравнению:

4С₅H₉O₄N_(р-р) + 21O_{2 (газ)} = 20CO_{2 (газ)} + 18H₂O_(жидк.) + 2N_{2 (газ)}

Вычислить стандартную энтропию реакции, используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	С5H9O4N	CO2	H2O
, кДж/моль	-982	-394	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Вычислить стандартную энтальпию и энергию Гиббса реакции:

C₄H_8(газ) + H_2(газ) = C₄H_10(газ)

по следующим данным:

	C4H10	C4H8	H2
, кДж/моль	-2878	-2717	-286
, кДж/моль	-17

3. Вычислить стандартную энтропию реакции фотосинтеза с образованием сахарозы, для которой DG⁰ = 4508 кДж/моль; DH⁰ = 5659 кДж/моль. Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора.Определить температуру, при которой данный процесс будет протекать в прямом направлении.

Вариант №17

1. Образование мочевины в организме происходит по уравнению:

2NH₃×Н₂О _(р-р) + СО_{2 (газ)} = CO(NH₂)_{2 (раствор)} + 3Н₂О _(жидк.)

Вычислить стандартную энтальпию реакции, используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

	NH3×Н2О	СО2	CO(NH2)2	Н2О
, кДж/моль	-264	-394	-197	-286

Экзо- или эндотермической является эта реакция?

2. Стандартные энтальпии растворения CuSO₄, CuSO₄×H₂O, CuSO₄×5H₂O равны соответственно: -67; -39; +12 кДж/моль. Вычислить значения стандартной энтальпии процессов перехода CuSO₄ в обе гидратные формы.

3. Определить направление протекания процесса:

креатинфосфат + АДФ = креатин + АТФ,

если:

креатинфосфат + H₂O = креатин + Н₃РО₄; DG⁰ = –43 кДж/моль;

АТФ + H₂O = АДФ + Н₃РО₄; DG⁰ = –30,5 кДж/моль.

Вариант №18

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции гидролиза тристеарата, протекающей по уравнению:

C₅₄H₁₁₀O_{6 (р-р)} + 3H₂O _(жидк.) = 3C₁₇H₃₅COOH _(р-р) + C₃H₈O_{3 (р-р)},

если известно: (C₅₄H₁₁₀O₆) = -37760 кДж/моль; (CO₂) = -394 кДж/моль; (H₂O) = -286 кДж/моль; (C₁₇H₃₅COOH) = -949 кДж/моль; ( C₃H₈O₃) = -669 кДж/моль.

2. Вычислить стандартную энтальпию образования аммиака, если известно:

4NH_3(газ) + 3O_2(газ) = 2N_2(газ) + 6H₂O_(газ) + 1226 кДж;

2H_2(газ) + O_2(газ) = 2H₂O_(газ) + 484 кДж.

3. Мужчина, соблюдающий фигуру, на вечеринке не удержался и выпил 50 мл водки (40%-й раствор этанола в воде плотностью 0,94 г/мл). Рассчитать количество энергии, которое выделится в организме мужчины, если стандартная энтальпия сгорания этанола составляет -1368 кДж/моль. Определить время, в течение которого он должен заниматься на велотренажёре, чтобы компенсировать излишества, если расход энергии составляет 2100 кДж/час.