Приклад виконання типових завдань

Задача 1. Визначити тепловий ефект (ентальпію ∆Нº) для реакції взаємодії газоподібного SО₃ і кристалічного Аl₂О₃

Аl₂О₃(к) + 3SО₃(г) = Аl₂(SО₄)₃(к).

Розв’язання. Тепловий ефект реакції визначається залежністю

∆H⁰ = ∆H⁰_f Аl₂(SО₄)₃ – (∆H⁰_f Аl₂О₃ + 3∆H⁰_f SО₃).

Згідно з даними таблиці «Стандартні ентальпії утворення деяких речовин і йонів» тепловий ефект цієї реакції становить

∆H⁰ = –3434 – (–1675 –3 ∙ 395,2) = –573,4 кДж.

Відповідь: ∆H⁰ = –573,4 кДж.

Задача 2. Чи можливо здійснення процесу відновлення заліза з оксиду Fе₂O₃ дією водню при стандартних умовах Fе₂O₃(к) + 3Н₂(г) = 2Fе(к) + 3Н₂O(p)?

Розв’язання. З таблиць термодинамічних величин беруть значення ∆H⁰₂₉₈ і S⁰₂₉₈ для всіх речовин, що брали участь у реакції. За законом Гесса обчислюють ∆H⁰₂₉₈ реакції:

∆H⁰₂₉₈ = 3∆H⁰₂₉₈(Н₂O)(p) – ∆H⁰₂₉₈(Fе₂O₃)(к) = 3(–285,8) – (– 822,0) = – 857,4 + 822,0 = – 35,4 кДж/моль.

Для даної реакції обчислюють ∆ S⁰₂₉₈:

∆S⁰₂₉₈ = 3S⁰₂₉₈(Н₂O)(p) + 2S⁰₂₉₈(Fе)(к) – [S⁰₂₉₈(Fe₂O₃)(к) + 3S⁰₂₉₈(Н₂)(г)] = (3∙ ∙ 70,1 + 2,27 ∙ 2) – (87,0 + 3 ∙ 130,5) = – 213,8 Дж/(К∙моль).

За знайденим даними обчислюють ∆G реакції:

∆G₂₉₈ = ∆H⁰₂₉₈ – Т∆S⁰₂₉₈ = – 35,4 + (213,8 ∙ 10ˉ³ ∙ 298) = 28,34 кДж/моль.

Відповідь: Позитивне значення ∆G вказує на неможливість відновлення Fе₂O₃ воднем при стандартних умовах.

Завдання до практичної роботи

1. Задачі на визначення теплового ефекту реакції

1.1. Визначити ентальпію ∆Нº реакції

СН₄(г) + 2О₂(г) → СО₂(г) + 2Н₂О(г),

де ∆Нº СО₂ = – 393,5 кДж, ∆Нº Н₂О = – 241,8 кДж, ∆Нº СН₄ = – 74,9 кДж.

1.2. Виділенням чи поглинанням теплоти супроводжується термічний розклад амоній хлориду NН₄Сl → NН₃ + НСl?

1.3. Стандартна теплота утворення МgO(к) і CO₂(г) відповідно – 601,8 і – 393,5 кДж/моль. Теплота розкладання МgСO₃ на МgO і CO₂ ∆Н = + 100,7 кДж/моль. Використовуючи ці дані, знайдіть теплоту утворення МgСO₃ з елементів. Відповідь: ∆H⁰₂₉₈ = – 1096 кДж∙мольˉ¹.

1.4. Знайдіть ∆H⁰₂₉₈ реакцій: а) СаО(к) + Н₂О(г) = Са(ОН)₂(к), б) СаО(к) + + Н₂О(р) = Са(ОН)₂(к). Відповідь: а) ∆H⁰₂₉₈ = – 109,3 кДж/моль; б) ∆H⁰₂₉₈ = – 65,3 кДж/моль.

1.5. Обчисліть тепловий ефект реакції горіння етену С₂Н₄(г), враховуючи, що її продуктами є СО₂(г) і Н₂О(р).

Відповідь: ∆H⁰₂₉₈ = – 1410,9 кДж∙мольˉ¹.

1.6. Знайдіть стандартну теплоту утворення NН₃(г), знаючи, що окиснення NН₃ протікає за термохімічним рівнянням:

4NН₃(г) + 3O₂(г) = 2N₂(г) + 6Н₂O(ж); ∆H⁰₂₉₈ = – 1530 кДж.

Відповідь: ∆H⁰₂₉₈ = – 46,2 кДж∙мольˉ¹.

2. Задачі на визначення ймовірності перебігу реакції

2.1. Знайдіть ∆G₂₉₈ реакцій:

а) СО(г) + ¹/₂О₂(г) = СО₂(г);

б) ¹/₂N₂(г) + ³/₂Н₂ (г) = NН₃(г);

в) С₆Н₆(p) + NН₃(г) =C₆Н₅NН₂(p) + Н₂(г).

Для аніліну C₆Н₅NН₂(p) значення ∆H⁰₂₉₈ і S⁰₂₉₈ відповідно рівні 35,3 кДж/моль і 141,7 Дж/моль∙К). Поясніть, чому у першій реакції ентропія спадає. Як буде змінюватися ∆G із зростанням температури для другої реакції, якщо ∆H при цьому залишається практично постійною величиною? Чи перспективна третя реакція для одержання аніліну? Відповідь: а) ∆G₂₉₈ = – 257,3 кДж/моль; б) ∆G₂₉₈ = – 16,5 кДж/моль; в) ∆G₂₉₈ = 55,1 кДж/моль.

2.2. Чи можуть у стандартних умовах реакції

Cl₂(г) + 2НІ(г) = І₂(к) + 2НСl(г)

І₂(к) + Н₂S(г) = 2НІ(г) + S(к)

самовільно протікати у прямому напрямку при 298 К?

Запитання для контролю і самоконтролю знань

1. Що вивчає хімічна термодинаміка? Якими термодинамічними функціями можна описати стан системи?

2. Як змінюється ентропія системи в разі: а) ускладнення молекул; б) зміни агрегат­ного стану речовини; в) в межах даної підгрупи елементів періодичної системи для простих речовин?

3. Яка залежність між ентальпійним та ентропійним чинниками у стані рівноваги?

4. Що є критерієм напрямку самовільного перебігу реакції за низьких та високих температур?

5. Що називають енергією Гіббса? Яким чином зміна цієї величини (∆G) вказує на термодинамічну можливість або неможливість мимовільного протікання процесу? Яке значення ∆G визначає рівноважний стан системи?

6. При якім співвідношенні ∆Н і ∆S: а) система перебуває у рівновазі, б) хімічний процес спрямований убік екзотермічної або ендотермічної реакції?

Рекомендована література

1. Романова Н.В. Загальна та неорганічна хімія. – К.: Ірпінь, ВТФ Перун, 2002. – 480 с.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1987. – 704 с.

Таблиця 1.