2. Химическая термодинамика* Примеры решения задач

Пример 1. В каком направлении при стандартных условиях может самопроизвольно протекать реакция 3SO_2(г) S _(ромб) + 2SO_{3 (г)}? Ответ дайте на основании расчетов изменения энергии Гиббса реакции G⁰₂₉₈: а) по значениям стандартных теплот образования _fН⁰₂₉₈ и стандартных энтропии S⁰₂₉₈ веществ, участвующих в реакции; б) по значениям стандартных энергий Гиббса G⁰₂₉₈ образования веществ, участвующих в реакции.

Решение. Проводим расчеты для реакции протекающей в прямом направлении.

а) Изменение энергии Гиббса реакции определяем по уравнению:

где Т— абсолютная температура (для стандартных условий Т= 298K); — зменение энтальпии реакции; – изменение энтропии реакции. Для энтальпии и энтропии, функций состояния:

где i, j – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Для данной реакции:

кДж

Поскольку  0, реакция эндотермическая.

;

.

б) Поскольку энергия Гиббса является, как энтальпия и энтропия, функцией состояния, справедливо уравнение:

¹

Для данной реакции

Результаты расчетов двумя способами совпадают.

Для обратной реакции изменение энергии Гиббса будет составлять ту же величину с противоположным знаком:

Поскольку критерием самопроизвольного протекания реакции является уменьшение энергии Гиббса, т. е. G < 0, реакция 3SO_2(г) S _(ромб) + 2SO_{3 (г)} при стандартных условиях самопроизвольно может протекать в обратном направлении.

Пример 2. Определите температуру Т_н, при которой установится равновесие реакции

СаО_(к) + СО_{2 (u)} СаСО_{3 (к)}

При какой температуре Т (Т> Т_н или Т< Т_н) возможно самопроизвольное протекание этой реакции в прямом направлении? Как при этом изменяется энтропия? Почему?

Решение. Изменение энтальпии реакции:

Реакция экзотермическая, поскольку Н⁰ < 0.

Изменение энтропии реакции:

Энтропия, характеризующая степень неупорядоченности в системе, уменьшается, так как из наиболее неупорядоченной газовой фазы образуется наиболее упорядоченная – кристаллическая.

Равновесие устанавливается при условии = 0. Отсюда температура, при которой это происходит:

В данной реакции Н° < 0, а (– TS°) > 0. Следовательно, G^o может быть отрицательным при относительно низких температурах. Самопроизвольное протекание реакции возможно при температурах Т< Т_н.

Контрольные задания

21—30. В каком направлении при стандартных условиях может самопроизвольно протекать заданная реакция? Ответ дайте на основании расчетов изменения энергии Гиббса реакции G⁰₂₉₈: а) по значениям стандартных теплот образования _fН⁰₂₉₈ и стандартных энтропии S⁰₂₉₈ веществ, участвующих в реакции; б) по значениям стандартных энергий Гиббса образования  _f G⁰₂₉₈ веществ, участвующих в реакции.

Номер задачи	Уравнение реакции
21	8Al (k) + 3Fe3O4 (k) 9Fe (k) + 4Al2O3 (k)
22	NiO (k) + Pb (k) Ni (k) + PbO (k)
23	N2 (г) + 2O2 (г) 2NO2 (г)
24	Fe2O3 (k) + 3 CO (г) 2Fe (k) + 2CO2 (г)
25	2NO2 (г) 2NO (г) + O2 (г)
26	2PbO (k) + O2 (г) 2PbO2 (k)
27	2SnO (k) Sn (k) + SnO2 (k)
28	MgO (k) + H2 (г) Mg (k) + H2O (ж)
29	4NH3 (г) + 5O2 (г) 4NO (г) + 6H2O (г)
30	2Fe (k) + 3H2O (г) Fe2O3 (k) + 3H2 (г)

31—40. Определите температуру начала реакции Т_н.

При какой температуре Т (Т> Т_н или Т< Т_н) возможно само- произвольное протекание этой реакции в прямом направлении? Как при этом изменяется энтропия? Почему?

Номер задачи	Уравнение реакции
31	2FeO (k) + C (графит) 2Fe (k) + CO2 (г)
32	2NO (г) + O2 (г) 2NO2 (г)
33	CaO (k) + H2O (г) Ca(OH)2 (k)
34	MgCO3 (k) MgO (k) + CO2 (г)
35	3C2H2 (г) C6H6 (г)
36	NH4Cl (k) NH3 (г) + HCl (г)
37	3C2H4 (г) C6H6 (г) + 3 H2 (г)
38	BeO (k) + SO3 (г) BeSO4 (k)
39	2NO2 (г) N2O4 (г)
40	C2H4 (г) C2H2 () + H2 (г)