III. Энергетика химических процессов

Пример. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий веществ вычислите ΔG₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

СО(г) + Н₂О(ж) = СО₂ (г) + Н₂(г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Решение: Возможность самопроизвольного протекания реакции определяется значением изменения энергии Гиббса: ΔG₂₉₈ = Н^о – Т •ΔS^о ; Н и S – функции состояния, поэтому

ΔН^о _х.р = ∑ΔН^о_прод – ∑ΔН^о_исх ; ΔS^о _х.р = ∑ΔS^о_прод – ∑ΔS^о_исх

ΔН^о _х.р = (- 393,51 + 0) – ( - 110,52 – 285,84) = + 2,85 кДж;

ΔS^о_х.р= (213,65+130,59) – (197,91+69,94) = +76,39 Дж/(моль^.К) = +76,39^.10^-3 кДж/(моль^.К);

ΔG₂₉₈ = + 2,85 – 298 • 0,07639 = - 19,91 кДж.

Вывод: слева направо при 25^оС реакция протекает самопроизвольно, поскольку ΔG^о₂₉₈ < 0.

IV. Химическая кинетика и химическое равновесие.

Пример 1. В системе: СО_(г) + Сl_2(г) = COCl_2(г) концентрацию СО увеличили от 0,3 до 1,2 моль/л, а концентрацию хлора – от 0,2 до 0,6 моль/л. Определить, во сколько раз возрастет скорость реакции?

Решение. На основании закона действия масс скорость гомогенной реакции (V) выражается через концентрации реагирующих веществ следующим образом:

V = k ∙ [СО] ∙[Cl₂],

где [СО] – молярная концентрация оксида углерода (II), моль/л;

[Cl₂] – молярная концентрация хлора, моль/л;

k – коэффициент пропорциональности (константа скорости).

Начальная скорость: V_o = k ∙ 0,3 ∙ 0,2 = k ∙ 0,06.

С увеличением концентраций реагирующих веществ она (V₁) возрастет и составит: V₁ = k ∙ 1,2 ∙ 0,6 = k ^. 0,72

Тогда:

Следовательно, скорость реакции возрастет в 12 раз.

Пример 2. Определить, чему равен температурный коэффициент скорости реакции, если при увеличении температуры на 50^оС скорость реакции возрастает в 32 раза?

Решение. Согласно уравнению Вант-Гоффа:

.

Подставим значения: .

Пример 3. Определить, в сторону прямой или обратной реакции сместится равновесие в следующих системах:

1. 2Н_2(г) + О_2(г) ↔ 2Н₂О_(г); Н^о₂₉₈ = −483,6 кДж

2) СаСО_3(к) ↔ СаО_(к) + СО_2(г) ; Н^о₂₉₈ = + 179 кДж

при: а) понижении температуры; б) повышении давления.

Решение. а). Согласно принципу Ле Шателье: понижение температуры приводит к смещению химического равновесия в сторону экзотермического процесса. Поскольку первая реакция – экзотермическая (∆Н^о < 0), то с понижением температуры произойдет сдвиг равновесия в сторону прямой реакции. Во второй – эндотермической реакции (∆Н^о > 0), наоборот – в сторону обратной.

б). С повышением давления по принципу Ле Шателье должно произойти смещение равновесия в сторону образования меньшего количества молей газообразных веществ (уменьшение объема газа). В первой – гомогенной системе – смещение равновесия произойдет в сторону прямой реакции (3 объема газа → 2 объема газа), а во второй – гетерогенной – в сторону обратной реакции (0 объемов газа → 1 объем газа).

V. Растворы. Способы выражения концентрации раствора. Закон Рауля.

Пример 1. Определить молярную (С_М), нормальную (С_Н), моляльную (С_μ) концентрацию и титр 5%-ного раствора CuSO₄ (ρ = 1,005 г/см³), V = 1 л.

Решение: Масса 1 л 5%-ного раствора CuSO₄ равна:

m _р-ра = ρ ^. 1000 = 1,005 ^. 1000 = 1005 г

и содержит m (CuSO₄) = 0,05 ^. 1005 = 50,25 г растворенного вещества.

а) мольно-объемная концентрация, или молярность, показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:

С_м = 50,25 = 50,25 = 0,314 М

М(CuSO₄) 160

б) эквивалентная концентрация, или нормальность, показывает число эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:

С_Н = 50,25 = 50,25 = 0,628 Н

mэ (CuSO₄) 80

в) мольно-массовая концентрация, или моляльность, показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя:

С_μ = 50,25 ^. 1000 = 0,33 m

160 (1005 – 50,25)

г) титром раствора называется число граммов растворенного вещества в 1 см³ (мл) раствора. Так как в 1 л раствора содержится 50,25 г CuSO₄ , то:

Т = 50,25 / 1000 = 0,05 г/см³ .

Пример 2. Смешали 15 мл 10%-ного раствора (ρ = 1,015 г/см³) азотной кислоты и 150 мл 30%-ного раствора (ρ = 1,15 г/см³) азотной кислоты. Чему равна процентная концентрация С% полученного раствора?

Решение:

а) Найдем массу 1-го раствора: m₁ = ρ ^. V = 1,015 ^. 15=15,225 г, который содержит m (HNO₃) = 10 / 100 ^. 15,225 = 1,52 г

б) Найдем массу 2-го раствора: m₁ = ρ ^. V = 1,15 ^. 150 = 172,5 г, который содержит m (HNO₃) = 30 / 100 ^. 172,5 = 51,75 г

в) Находим С% : 1,52 + 51,75

С_% = 15,22 + 172,5 • 100% = 28,38 %

Пример 3. Какой объем 0,3 н раствора хлорида натрия надо прибавить к 150 см³ 0,16 н раствора нитрата серебра, чтобы осадить все находящееся в растворе серебро в виде хлорида серебра?

Решение. Вещества реагируют в эквивалентных количествах.

NaCl + AgNO₃ = AgCl + NaNO₃.

Следовательно, С_н(NaСl) ∙ V_p(NaСl) = С_н(AgNO₃) ∙ V_p(AgNO₃).

Откуда: V_p(NaСl) = С_н(AgNO₃) ∙ V_p(AgNO₃) / С_н(NaСl).

Подставляем значения: V_p(NaСl) = 0,16 ∙ 150 / 0,3 = 80 см³.

Пример 4. Раствор, содержащий 11,04 г глицерина в 800 г воды, кристаллизуется при -0,279°С. Вычислите молярную массу глицерина.

Решение. Температура кристаллизации чистой воды 0⁰С, следовательно, понижение температуры кристаллизации t = 0 - (-0,279) = 0,279°. Масса глицерина т (г), приходящаяся на 1000 г воды, равна:

11,04 · 1000

m = = 13,8 г

800

Подставляя в уравнение

m

M = K

∆T

числовые значения, вычисляем молярную массу глицерина:

1,86 · 13,8

М = = 92 г/моль

0,279