Бос Гиббс энергиясы ΔG. Реакцияның жүзеге асырылу мүмкіндігін анықтау. Химия, 10 сынып, сабақ жоспары.

Ұзақ мерзімді жоспар бөлімі:

Мектеп: Павлодар қ. ХББ НЗМ

Күні

Мұғалімнің аты-жөні:

Сынып:

Қатысқандар саны:

Қатыспағандар саны:

Сабақ тақырыбы

Бос Гиббс энергиясы ΔG. Реакцияның жүзеге асырылу мүмкіндігін анықтау

Осы сабақта қол жеткізілетін оқу мақсаттары (оқу бағдарламасына сілтеме)

• еркін энергия (∆G) мен энтропия өзгерісі (∆S) түсініктерін түсіну және қолдана білу;
• ΔG = ΔH - TΔS теңдеуін білу және оны ΔG-ң температура өзгеруімен бірге қалай өзгеретіндігін көрсету үшін қолдану және реакция жүруі үшін қажетті температураны анықтау

 Сабақ мақсаттары

• бос энергия өзгерісінің формуласының (ΔG = ΔH - TΔS) алынуына қысқаша тоқталу;
• бос энергия өзгерісін анықтау және оны реакцияның жүру мүмкіндігін анықтау үшін пайдалану;
• бос энергия өзгерісіне ΔH° және ΔS° көрсеткіштерінің әсерін түсіну;
• экзотермиялық процестердің барлығы дерлік, ал эндотермиялық процестердің кейбіреуінің ғана спонтанды болу себебін түсіну;
• реакция жүруі үшін қажетті температураны анықтау, есептер шығару.

Жетістік критерийлері

Барлық оқушылар:

• Гиббс энергиясының мағынасын түсінеді, формуланы біледі;
• бос энергия өзгерісін анықтайды және оны реакцияның жүру мүмкіндігін анықтауда қолданады;
• реакция жүруі үшін қажетті температураны есептейді;

Кейбір оқушылар:

• ΔG-ң температура өзгеруімен бірге қалай өзгеретіндігін түсіндіреді.

 Тілдік мақсаттар

• Гиббс энергиясы өзгерісінің есептелген мәнін қолдану арқылы реакцияның спонтанды болу-болмауын болжау;
• ΔG-ң температура өзгеруімен бірге қалай өзгеретіндігін түсіндіру*.

Пәнге қатысты лексика және терминология

Диалогқа/жазылымға қажетті тіркестер

Егер ΔG (дельта джи) мәні теріс/оң болса, процесс спонтанды жүреді/ жүрмейді; ... температура кезінде реакция спонтанды жүреді/ жүрмейді

Құндылықтарды дарыту

Ынтымақтастық (жұпта жұмыс жасау барысында бір-бірінің жауаптарын тыңдай алу)

Өмір бойы білім алу (оқушылар мұғалім ұсынған энтропия өзгерісі жөнінде ақпаратты өздігінен түсінеді)

Пәнаралық байланыстар

Физика (термодинамиканың бірінші және екінші заңдарын, физикалық құбылыстарды, мысалы жылудың таралуы, қыздыру, т.с.с. орын алатын энтропия өзгерісінің мысалдарын қарастырғанда; бөлшектер деңгейінде реакцияларды түсіну үшін кинетикалық және термодинамикалық аспектілерді ескеру кезінде)

Математика (теңдеудегі коэффициенттерді ескере отырып, реакцияның энтальпия мен энтропия өзгерістерін және температураны анықтау кезінде формуланы дұрыс қолданып, дұрыс есептеу)

АКТ қолдану дағдылары

Интернет ресурстарымен, видео файлдармен жұмыс

Сабақ барысы

Сабақтағы жоспарланған іс-әрекет

1. Амандасу. Оқушыларды белгілеу.

2. Үй жұмысын тексеру

№5.1 жауабы:

a) Sреак=217Дж/Кмоль

Sқорш.орта=1604 Дж/Кмоль

b) Sжалпы=1821 Дж/Кмоль

c) иә, спонтанды

№5.2 жауабы:

a) Sреак=138Дж/Кмоль

Sқорш.орта= -140Дж/Кмоль

b) Sжалпы=-2Дж/Кмоль

c) жоқ, спонтанды емес

3. қарап отырсаңыздар, мына екі реакция әртүрлі температураларда жүрді, ал қай реакция қандай температурада спонтанды, яғни өздігінен жүретіндігін қалай анықтауға болады? Бүгінгі сабақта біз осыны анықтауға тырысамыз, ол үшін зат күйінің термодинамикалық функциялардың соңғы түрі, яғни «Гиббс бос энергиясы» жайлы танысуымыз керек (мұғалім сабақ тақырыбымен, оқу мақсаттарымен таныстырады, оқушылар дәптерлеріне сабақ тақырыбын жазып алады).

• Гиббс бос энергиясының формуласы қалай алынды? (тақтаға Гиббс бос энергиясының формуласын жазу, немесе слайд, әр шартты белгінің нені білдіретінін сұрау: ΔG⁰=ΔH⁰−TΔS⁰)

Видео көрсету «Бос энергия өзгерісі ұғымының пайда болуы» (кері байланыс жасау, оқушылар формула мен анықтамасын дәптерге жазады)

• Мысалды қарастыру. Оқушыларды видео көріп болған соң мына сұрақтарға жауап берулерін сұрау: бос энергия өзгерісін қалай есептеуге болады? ΔG мәні қандай болған кезде реакция спонтанды жүреді?(теріс) Қай кезде ΔG мәні температураға тәуелсіз болып, ΔG мәні теріс болады және реакция кез келген температураларда спонтанды жүреді? (энтальпия мен –TΔS құраушысы 0-ден кіші, яғни теріс болғанда) (видео «Натрий гидроксиді мен тұз қышқылы арасындағы бейтараптану реакциясы»).
• Жаттығу орындау (алдымен оқушылар өздігінен, кейін жұптасымен талқылайды, жауапты онлайн тексереді)

Жаттығу №1. 25°C -та су буының конденсациялануындағы бос энергия өзгерісін есептеп, мәтінді аяқтаңыз. Барлық көрсеткіштерді ең жақын бүтін санмен және кДж/моль арқылы көрсетіңіз.

•  Мұғалім: Бос энергия өзгерісіне ΔH° және ΔS° әсері қалай әсер етеді? Бос энергия өзгерісінің негізгі көрсеткіші ΔH⁰ және ΔS⁰ көрсеткіштеріне байланысты. Бұл терминдердің мөлшері мен таңбалары реакция спонтанды өтетін температура диапазонын анықтайды. Неліктен экзотермиялық реакциялардың көпшілігі спонтанды болып келеді?(видео «Экзотермиялық реакциялардың көпшілігі − спонтанды», кейін кері байланыс жасау, оқушылардан түсіндіруді сұрау).
• Ал неліктен кейбір эндотермиялық реакциялар спонтанды болады? (видео «Неліктен кейбір эндотермиялық реакциялар спонтанды?», кейін кері байланыс жасау, оқушылардан түсіндіруді сұрау).
• Жаттығу орындау

Жаттығу №2. 25°C бөлме температурасында күкірт қышқылының H₂SO₄ ерітіндісі тұрақты, ал күкірті қышқылдың H₂SO₃ ерітіндісі газ тәрізді күкірт (IV) оксидін SO₂ түзіп, баяу ыдырайды. Реакцияларды зерттеп, кестеде көрсетілген термохимиялық мәліметтерді пайдаланып, әрбір реакция үшін бос энергия өзгерістерін ΔG° есептеңіз. Жауабын ең жақын бүтін санмен көрсетіңіз.

H₂SO₄(c.е.)⟶H₂O(с)+SO₃(г) ΔG°₁=?

a) Стандартты энтальпия өзгерісін есептеңіз:

ΔH°₁=

b) Стандартты энтропия өзгерісін есептеңіз:

ΔS°₁=

c) Стандартты бос энергия өзгерісін есептеңіз:

ΔG°₁=

H₂SO₃(с.е.)⟶H₂O(с)+SO₂(г) ΔG°₂=?

a) Стандартты энтальпия өзгерісін есептеңіз:

ΔH°₂=

b) Стандартты энтропия өзгерісін есептеңіз:

ΔS°₂=

c) Стандартты бос энергия өзгерісін есептеңіз:

ΔG°₂=

d) алынған мәліметтерді пайдаланып, әр реакцияны сипаттаңыз (тиісті сөздің астын сызыңыз):

Екі реакция да экзотермиялық/эндотермиялық және олардың әрқайсысында су/газ тәрізді оксидтері түзілетіндіктен, оң/теріс энтропия өзгерісі жүзеге асады.

1-реакцияда оң энтропия өзгерісі азырақ оң энтальпия өзгерісі үшін орын толтырады/орын толтырмайды, бос энергия өзгерісі оң/теріс және реакция жүреді/жүрмейді. Сол себепті бөлме температурасында H₂SO₄ ерітіндісі тұрақты/тұрақсыз.

2-реакцияда оң энтропия өзгерісі үлкен оң энтальпия өзгерісінің орнын толтырады/толтырмайды, бос энергия өзгерісі оң/теріс, реакция жүреді/жүрмейді. Сол себепті бөлме температурасында H₂SO₃ ерітіндісі тұрақты/тұрақсыз.

(оқушылар жұбы орындарынан тұрып, басқа жұп оқушылардың жауаптарын тексереді, талқылайды, түсіндіреді; кейін жауаптарын онлайн тексереді).

• Ал температура бос энергия өзгерісіне қалай әсер етеді? (Температура TΔS° көрсеткішіне әсер ететіндіктен, кейбір реакция түрлері температураға байланысты оң немесе теріс бағытта жүреді). Мысалы, Бейорганикалық қосылыстардың ыдырауы −

эндотермиялық процесс, сондықтан ол процесстер жоғары температурада қыздыруды қажет етеді. (Видео көру «Кальций карбонатының ыдырауы»).

Ал сутек пероксиді болса, бөлме температурасында

тұрақсыз. Бұл қосылыстың сулы ерітіндісінен оттек газы бөлінеді. (Видео көру «Сутек пероксидінің ыдырауы»).

Тапсырма: Энтальпия өзгерісі процесінің спонтанды жүруіне және реакция энтропиясына байланысты тұжырымдарды сәйкестендіріңіз. (онлайн орындау, өзін—өзі тексеру)

Осыдан кейін оқушылардың назарын мына кестеге аударту, талқылау

• Жаттығулар орындау.

Жаттығу №3. Термодинамикалық мәліметтерді пайдаланып, реакцияның бос энергия өзгерісін есептеңіз. Содан кейін магний гидроксидінің дегидратациясы жүретін ең төмен температураны анықтаңыз. Нәтижені ең жақын бүтін санмен беріңіз.

Mg(OH)₂(қ)⟶MgO(қ)+H₂O(г)

a) Реакцияның стандартты энтальпия өзгерісін есептеңіз.

ΔH°_реакц=

b) Реакцияның стандартты энтропия өзгерісін есептеңіз.

ΔS°_реакц=

c) 25°C-тағы стандартты бос энергия өзгерісін есептеңіз.

ΔG°=

d) Реакция жүзеге асатын ең төменгі температураны есептеңіз.

Қосымша есептер.

Есеп 1. Берілген химиялық реакцияның стандартты энтальпия мен энтропиясын есептеңіз. 298 °К кезінде реакцияның қандай бағытта жүретіндігін (тура немесе кері) анықтаңыз. Қандай температурада реакция екі бағытта да жүре алатындығын есептеңіз.Fe₂O_{3 (қ)} + 3H_2(г) = 2Fe_(қ) + 3H₂O_(г)

Шығарылуы.

ΔH_р-ция= ΣH⁰_өнім – ΣH⁰_реаг кДж/моль

Анықтамалық мәліметтердегі заттардың стандартты энтальпияларын қолданып, анықтаймыз:

ΔH_р-ция = 2·ΔH⁰_Fe+3·ΔH⁰_H2O— ΔH⁰_Fe2O3 —3·ΔH⁰_H2=2·0+3·(-241,82) – (-822,16) — 3·0 = 96,7 кДж/моль

ΔS_р-ция=ΣS⁰_өнім – ΣS⁰_реаг Дж/(моль·K)

Анықтамалық мәліметтердегі заттардың стандартты энтропияларын қолданып, анықтаймыз:

ΔS_р-ция = 2·ΔS⁰_Fe + 3·ΔS⁰_H2O — ΔS⁰_Fe2O3 — 3·ΔS⁰_H2= 2·27,15 + 3·188,7 – 89,96 — 3·131 = 137,44 Дж/(моль·K)

ΔG = ΔH – TΔS= 96,7 – 298 ·137,44 /1000 = 55,75 кДж/моль

Жауабы: Т=298°К температурада, ΔG > 0 – реакция өздігінен жүрмейді, яғни реакция кері бағытта жүреді.

Қандай температурада реакция екі бағытта да жүре алатындығын есептеу үшін ΔG нөлге теңестіреміз:

ΔG = ΔH – TΔS = 0, сонда

T= — (ΔG – ΔH)/ΔS= — (0-96,7)/0,137 = 705,83 K

Жауабы: Т = 705.83 К температурада реакция тура және кері бағытта жүре алады.

Есеп 2. Гиббс энергиясын есептеп, реакцияның 1000 және 3000 К температурада жүре алу мүмкіндігін анықтаңыз.

Шығарылуы.

Гиббс энергиясын есептейміз:

ΔG_р-ция = ΔH_р-ция – TΔS_р-ция

Ол үшін ΔH_р-ция мен ΔS_р-ция есептеп алуымыз керек.

ΔH_р-ция = ΣH⁰_кон – ΣH⁰_исх кДж/моль

ΔH_р-ция= 2·ΔH⁰_Cr + 3·ΔH⁰_CO — ΔH⁰_Cr2O3 — 3·ΔH⁰_C= 2·0 + 3·(- 110,6) – (-1141) — 3·0 = 809,2 кДж/моль

ΔS_р-ция=ΣS⁰_өнім – ΣS⁰_реаг Дж/моль·K

ΔS_р-ции= 2·ΔS⁰_Cr + 3·ΔS⁰_CO — ΔS⁰_Cr2O3 — 3·ΔS⁰_C= 2·23,6 +3·197,7–81,2— 3·5,7 = 542 Дж/(моль·K)

1000 К кезіндегі Гиббс энергиясын табамыз: 

ΔG₁₀₀₀ = ΔH – TΔS= 809,2 – 1000 ·542 /1000 = 267,2 кДж/моль

ΔG₁₀₀₀ > 0, яғни, реакция өздігінен жүрмейді.

3000 К кезіндегі Гиббс энергиясын табамыз: 

ΔG₃₀₀₀= ΔH – TΔS = 809,2 – 3000 ·542 /1000 = — 816,8 кДж/моль

ΔG₃₀₀₀ ˂ 0, яғни, реакция өздігінен жүреді.

Practice Problem 7

Use the values of ΔH (-92.22 kJ) and ΔS (-198.75 J/K) to predict whether the following reaction is spontaneous at 25C:

N₂(g) + 3 H₂(g)  2 NH₃(g)

Шешуі:

T_K = 25⁰C + 273.15 = 298.15 K

We then multiply the entropy of reaction by the absolute temperature and subtract the T ΔS^o term from the ΔH^o term:

ΔG^o = ΔH^o - T ΔS^o= -92,220 J - (298.15 K x -198.75 J/K)= -92,220 J + 59,260 J = -32,960 J

ΔG^o = -32.96 kJ

According to this calculation, the reaction should be spontaneous at 25⁰C.

Practice Problem 8:

Predict whether the following reaction is still spontaneous at 500C:

N₂(g) + 3 H₂(g)  2 NH₃(g)

Assume that the values of ΔHo and ΔS used in Practice Problem 7 are still valid at this temperature.

Шешуі:

Before we can decide whether the reaction is still spontaneous we need to calculate the temperature of the kelvin scale:

T_K = 500^oC + 273 = 773 K

We then multiply the entropy term by this temperature and subtract this quantity from the enthalpy term:

ΔG^o₇₇₃ = ΔH^o₂₉₈ - T ΔS^o₂₉₈= 92,220 J - (773 K x -198.75 J/K)= 92,220 J - (-153,600 J)= 61,380 J

ΔG^o = 61.4 kJ

Because the entropy term becomes larger as the temperature increases, the reaction changes from one which is favorable at low temperatures to one that is unfavorable at high temperatures.

*уақыт жеткілікті болса, «Бос энергия өзгерісі және динамикалық тепе-теңдік» қарастыру (6-бет).

Бос энергия өзгерісі ΔG° нөлге тең болса, тура процесс немесе кері процесстер жүрмейді. Жүйе динамикалық тепе-теңдікте болады.

ΔG°<0 − оң реакция жүреді, кері реакция жүрмейді

ΔG°>0 − тура реакция жүрмейді, кері реакция жүреді

ΔG°=0 − тура және кері реакциялар жүреді. Динамикалық тепе-теңдік күйі

Рефлексия:

Сұрақтарға жауап беру:

• Гиббс энергиясы, энтропия, энтальпияның бір-бірімен айланысы неде?
• Гиббс энергиясы бізге не туралы айтады? Оны қалай анықтаймыз?
• Кез келген температурда реакциялар спонтанды жүре бере ме? Неліктен?
• Сабақта не қиын/жеңіл; түсінікі/түсініксіз болды?

Үй жұмысы: Тапсырма парағындағы қосымша тапсырмаларды орындауды аяқтау

Саралау – оқушыларға қалай көбірек қолдау көрсетуді жоспарлайсыз? Қабілеті жоғары оқушыларға қандай міндет қоюды жоспарлап отырсыз?

Бағалау – оқушылардың материалды меңгеру деңгейін қалай тексеруді жоспарлайсыз?

Барлық оқушылар:

• Гиббс энергиясының мағынасын түсінеді, формуланы біледі;
• бос энергия өзгерісін анықтайды және оны реакцияның жүру мүмкіндігін анықтауда қолданады;
• реакция жүруі үшін қажетті температураны есептейді;

Кейбір оқушылар:

ΔG-ң температура өзгеруімен бірге қалай өзгеретіндігін түсіндіреді.

Сонымен қатар,

Визуалдарға бейне фильдер көрсетіледі; қалауы бойынша кейбір оқушылар ақпарат парағын қолданады;

қабілеті жоғары оқушылар қосымша тапсырмаларды орындайды

Сабақ барысында үйренгенін бағалау үшін қолданылған әдіс-тәсілдер: оқушылар/мұғалімнің ауызша қойылған сұрақтарына жауап береді, жұптасымен басқа жұптастардың жұмыстарын тексереді; онлайн тапсырма орындайды

Сабақ бойынша рефлексия

Сабақ мақсаттары/оқу мақсаттары дұрыс қойылған ба? Оқушылардың барлығы ОМ қол жеткізді ме?

Жеткізбесе, неліктен?

Сабақта саралау дұрыс жүргізілді ме?

Сабақтың уақыттық кезеңдері сақталды ма?

Сабақ жоспарынан қандай ауытқулар болды, неліктен?

Жалпы баға

Сабақтың жақсы өткен екі аспектісі (оқыту туралы да, оқу туралы да ойланыңыз)?

1:

2:

Сабақты жақсартуға не ықпал ете алады (оқыту туралы да, оқу туралы да ойланыңыз)?

1:

2:

Сабақ барысында сынып туралы немесе жекелеген оқушылардың жетістік/қиындықтары туралы нені білдім, келесі сабақтарда неге көңіл бөлу қажет?