24

Задание 1 по теме: Термодинамическая характеристика химической реакции Примеры решения задач

Пример 1.1. В системе протекает реакция:

2NO₂(г) = 2NO(г) + O₂(г).

Дайте термодинамическую характеристику реакции, качественно оценив изменение энтальпии химической реакции H_r, изменение энтропии химической реакции S_r, изменение энергии Гиббса химической реакции

G_r. Определите, является ли данная реакция обратимой.

Решение. Определим знак изменения энтальпии химической реакции H_r.

Н – тепловой эффект процесса (химической реакции)

H < 0 – экзотермическая реакция (теплота выделяется)

H > 0 – эндотермическая реакция (теплота поглощается)

Для некоторых типов реакций можно качественно оценить знак Н.

С выделением теплоты (H < 0) протекают

– реакции горения ( взаимодействие веществ с кислородом),

например, C₂H₄(г) + 3O₂(г) = 2CO₂(г) + 2H₂O(г);

– реакции соединения (образование сложных веществ из простых),

например, 2C(графит) + 3H₂(г) = C₂H₆(г);

С поглощением теплоты (H > 0) протекают

– реакции разложения (образование простых или менее сложных веществ из более сложных), например, NH₄NO₃(к) = N₂O(г) + 2H₂O(г)

Дадим термодинамическую характеристику реакции по знаку изменения энтальпии химической реакции H_r.

Данная реакция относится к реакциям разложения, так как из более сложного вещества NO₂ образовались менее сложные вещества NO и O₂,

H_r > 0, реакция эндотермическая, протекает с поглощением теплоты.

Определим знак изменения энтропии химической реакции S_r.

S характеризует неупорядоченность системы (мера беспорядка).

S > 0 – беспорядок в системе увеличивается;

S < 0 – беспорядок в системе уменьшается;

S ≈ 0 – беспорядок в системе не изменяется

Знак изменения энтропии S_r в реакции можно качественно оценить по изменению числа молекул газов и фазовым превращениям в системе в результате протекания процесса.

S > 0, если число молекул газов увеличивается;

S < 0, если число молекул газов уменьшается;

S ≈ 0, если число молекул газов не изменяется

Дадим термодинамическую характеристику реакции по знаку изменения энтропии химической реакции S_r.

В данной реакции из 2 молекул газов (2 молекулы NO₂) образуется 3 молекулы газов (2 молекулы NО и 1 молекула О₂). Число молекул газов увеличивается, S_r > 0, реакция протекает с увеличением беспорядка (система становится менее упорядоченной).

Определим знак изменения энергии Гиббса химической реакции G_r.

G – критерий самопроизвольного протекания процесса

(Т = const, Р = const).

G < 0 – процесс возможен, протекает прямая реакция();

G > 0 – процесс не возможен, протекает обратная реакция();

G = 0 – химическое равновесие в системе

Знак изменения энергии Гиббса G можно качественно оценить по уравнению( Гиббса).

G = H – TS (уравнение Гиббса),

H – энтальпийный фактор; TS – энтропийный фактор.

Условно можно считать, что H и S не зависят от температуры. Знак G зависит от знаков H, S и температуры.

При низких температурах (Т 0)

G ≈ H, знак G определяется энтальпийным фактором;

При высоких температурах (Т∞)

G ≈ – TS, знак G определяется энтропийным фактором

Дадим термодинамическую характеристику реакции по знаку изменения энергии Гиббса химической реакции G_r.

Используя уравнение Гиббса и знаки H_r и S_r (H_r > 0 и S_r > 0), определим знаки при высоких и низких температурах.

(при низких температурах) знак G_r определяется энтальпийным фактором: знаком H_r G_r > 0, протекает обратная реакция;

(при высоких температурах) знак G_r определяется энтропийным фактором: знаком – TS_r G_r < 0, протекает прямая реакция.

Определим, является ли данная реакция обратимой.

Результаты анализа уравнения Гиббса показывают, что G_r для данной реакции в зависимости от температуры может изменять знак на противоположный. Следовательно, реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, следовательно, является обратимой.

Пример 1.2. В системе протекает реакция: C₂H₅ОН(г) + 3О₂(г) = 2СО₂(г) + 3Н₂О(г).

Дайте термодинамическую характеристику реакции при стандартных условиях, используя стандартные термодинамические свойства веществ, на основании количественных расчётов: рассчитайте величины и проанализируйте знаки энтальпии химической реакции , энтропии химической реакции , энергии Гиббса химической реакции . Определите, является ли данная реакция обратимой.

Решение.

Стандартные термодинамические условия: Т = 298 К; Р = 101325 Па

Выпишем из справочной таблицы (прил. 1 стандартные термодинамические свойства всех участвующих в реакции веществ: стандартную энтальпию образования (298), абсолютную стандартную энтропию S⁰(298), стандартную энергию Гиббса образования (298) и представим в виде таблицы.

Термодинамические свойства веществ	С2Н5ОН(г)	О2(г)	СО2(г)	Н2O(г)
(298), кДж/моль	–234,80	0	–393,51	–241,81
S0(298), Дж/(моль·К)	281,38	205,01	213,66	188,72
(298), кДж/моль	–167,96	0	–394,37	–228,61

Рассчитаем энтальпию химической реакции (тепловой эффект химической реакции), используя следствие из закона Гесса.

= ån_i (прод) – ån_i (исх),