Условие задачи

Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? вычислите ΔS°298 для каждого превращения. Сделайте вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях.

Решение

Наша задача относится к разделу термодинамики (физической химии). Здесь необходимо рассмотреть энтропию при фазовом переходе и при переходе между аллотропными формами вещества, то есть изучить изменение мер беспорядка в системе.

Мы рассматриваем два превращения:

1. Вода (жидкость) → Пар (газ).
2. Графит → Алмаз.

Ниже приведём подробное решение.

──────────────────────────
1. Превращение воды в пар

При переходе жидкости в газ молекулы значительно приобретают подвижность, область их возможных положений резко возрастает, следовательно, растёт и мера беспорядка (энтропия). Поэтому
ΔS° = S°(пар) – S°(жидкость) > 0.

Для приближённого количественного расчёта можно использовать табличные стандартные энтропии при 298 К. Принятые значения (приблизительные):

S°(H₂O (ж)) ≈ 70 J·K⁻¹·mol⁻¹
S°(H₂O (п)) ≈ 189 J·K⁻¹·mol⁻¹

Отсюда
ΔS°₍₂₉₈₎ = 189 – 70 ≈ +119 J·K⁻¹·mol⁻¹.

Таким образом, при переходе воды в пар энтропия увеличивается примерно на 119 J·K⁻¹·mol⁻¹.

──────────────────────────
2. Превращение графита в алмаз

Аллотропические превращения связаны с перекроением кристаллической решётки. В данном случае алмаз имеет более жёсткую, вплотную упакованную структуру, что означает меньшее число микроскопических состояний (меньший беспорядок) по сравнению с графитом, у которого структура слоистая и более «подвижная». Поэтому
ΔS° = S°(алмаз) – S°(графит) < 0. Приблизительные стандартные энтропии (при 298 К): S°(графит) ≈ 5,7 J·K⁻¹·mol⁻¹ S°(алмаз) ≈ 2,4 J·K⁻¹·mol⁻¹ Вычислим изменение энтропии: ΔS°₍₂₉₈₎ = 2,4 – 5,7 = –3,3 J·K⁻¹·mol⁻¹ Таким образом, при превращении графита в алмаз энтропия уменьшается на примерно 3,3 J·K⁻¹·mol⁻¹. ────────────────────────── Вывод • При фазовом превращении (жидкость → газ) наблюдается значительное увеличение энтропии (порядка +120 J·K⁻¹·mol⁻¹) из-за резкого увеличения числа возможных микросостояний молекул (рост беспорядка). • При аллотропическом превращении (графит → алмаз) изменение энтропии незначительно (порядка –3 J·K⁻¹·mol⁻¹), что говорит о сравнительно небольшом изменении структурного упорядочения между этими фазами. Таким образом, по количеству изменяется энтропия гораздо ярче при фазовых переходах, чем при аллотропических превращениях.