3. Энергетика химических реакций Химико-термодинамические расчеты

Рекомендуемая литература:

Н.В. Коровин, Общая химия, гл.5, §§5.1-5.4. Лекции по теме.

Н.Л. Глинка, Задачи и упражнения по общей химии, гл. V, §1, примеры 1-9, вопросы для самоконтроля №№ 316-324.

Вопросы для подготовки

Функции состояния: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал). Тепловой эффект химической реакции. Реакции экзо- и эндотермические. Стандартные условия протекания реакции. Стандартная энтальпия образования сложного вещества. Стандартная энтальпия сгорания. Термохимические уравнения. Закон Гесса. Термодинамические расчеты: определение тепловых эффектов химических реакций, стандартных энтальпий образования сложных веществ. Направление самопроизвольного протекания химической реакции. Изменение энтальпии, энтропии и изобарно-изотермического потенциала в ходе самопроизвольных процессов.

Пример 1.

Рассчитайте стандартную энтальпию образования оксида магния по уравнению химической реакции, протекающей при 298 К:

2Мg _(k) + O₂ = 2 MgO _(k) = -1203,6 кДж.

Решение

Стандартная теплота образованиясоединенияэто количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании одного моль химического соединения из простых веществ в стандартных условиях (давление 101,3 кПа, температура 298 К). Стандартная энтальпия образования равна теплоте образования с обратным знаком.

Ответ: при образовании оксида магния теплота выделяется, стандартная энтальпия образования оксида магния – 601,9.

Пример 2.

Вычислите тепловой эффект химической реакции сгорания этана

2С₂H_6(г)+ 7O_2(г)4CО_2(г)+ 6H₂O_(ж)при 298 К.

Решение

Согласно следствию из закона Гесса, тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Следовательно, энтальпия химической реакции равна:

Выписываем справочные данные:

2С₂H_6(г)+ 7O_2(г)4CО_2(г)+ 6H₂O_(ж)

-89,7 0 -393,5 -285,8

Рассчитываем энтальпию химической реакции:

Тепловой эффект реакции Q_хим.р.= –, следовательно, реакция экзотермическая, при сгорании 2 молей этана выделяется 3109,4 кДж теплоты.

Ответ:

Пример 3.

Вычислите энтальпию и энтропию реакции разложения карбоната кальция

СаСО_3(к)СаO_(к)+CО_2(г)

Рассчитайте изобарно-изотермический потенциал реакции при 25, 500 и 1500⁰С. Зависимостьюиот температуры пренебречь. При какой температуре система находится в состоянии равновесия? При каких температурах она протекает самопроизвольно?

Решение

Выписываем справочные данные:

СаСО_3(к)СаO_(к)+CО_2(г)

-1207,0 -635,5 -393,5

88,7 39,7 213,7

Используя следствие из закона Гесса, рассчитываем энтальпию химической реакции:

=

Рассчитываем энтропию химической реакции:

Энергия Гиббса или изобарно-изотермический потенциал рассчитывается по формуле

G =H – TS

При 25⁰С Т=298 К,

При 500⁰С Т=773 К,

При 1000⁰С Т=1273 К,

В состоянии термодинамического равновесия G =H – TS = 0.

Данная система находится в состоянии равновесия при температуре

Химическая реакция протекает самопроизвольно, если G<0, следовательно, реакция разложения карбонат кальция возможна при температуре выше 1081 К.

Контрольные задания

Задание 3

Вычислите стандартные энтальпию и энтропию химической реакции … , используя данные таблицы 5.

Рассчитайте изобарно-изотермический потенциал реакции при температурах t₁,t₂иt₃⁰С. Зависимостьюиот температуры пренебречь. При какой температуре система находится в состоянии равновесия? При каких температурах она протекает самопроизвольно?

№	Уравнение химической реакции	t1	t2	t3
1		17	100	1000
2		22	120	1200
3		25	150	1500
4		30	175	1000
5		27	200	2000
6		18	125	1250
7		20	150	1500
8		25	170	1700
9		33	200	2000
10		17	250	2500
11		25	100	1000
12		30	175	1750
13		37	300	3000
14		20	250	2500