Раздел IV. Энергетика химических процессов

[1, с.170-185; 2, с.66-79; 3, с.116-149; 4, с.145-179; 5, с.195-232; 6, с.72- 90]

Решение типовых задач

Задача 1. Определите возможность самопроизвольного протекания химической реакции: NO + ½ O₂ = NO₂.

Решение. Возможность самопроизвольного протекания химической реакции определяется по величине свободной энергии Гиббса: ΔG = ΔH -TΔS.

Тепловой эффект и полную энергию химической реакции находим по следствию из закона Гесса: ΔН⁰₂₉₈ = ΔН⁰₂₉₈(NO₂) - ΔН⁰₂₉₈(NO) – ½ ΔН⁰₂₉₈(O₂).

По справочнику [6] находим:

ΔН⁰₂₉₈(NO₂) = 38,5 кДж/моль; ΔН⁰₂₉₈(NO) = 90,3 кДж/моль;

ΔН⁰₂₉₈(O₂) = 0 кДж/моль;

тогда ΔН⁰_{298(реакции)} = 38,5 - 90,3 – ½  0 = - 51,8 кДж.

Изменение энтропии реакции:

ΔS⁰₂₉₈ = S⁰₂₉₈(NO₂) - S⁰₂₉₈(NO) – ½ S⁰₂₉₈(O₂);

S⁰₂₉₈(NO₂) = 240,2 Дж/мольК S⁰₂₉₈(NO) = 210,5 Дж/мольК

ΔS⁰₂₉₈ = 240,2 – 210,5 – ½205,0 = - 72,8 Дж/К = - 72,810^-3 кДж/К.

Находим энергию Гиббса: ΔG⁰₂₉₈ = -51,8 + 29872,810^-3 = - 30,11 кДж, ΔG⁰₂₉₈ < 0 – следовательно, реакция в стандартных условиях протекает в прямом направлении.

ΔH⁰_{298 (реакции)} = ΔH⁰₂₉₈ (СО₂) + 2 ΔH⁰₂₉₈ (Н₂О ж) - ΔH⁰₂₉₈ (СН₄) - 2 ΔH⁰₂₉₈ (О₂);

ΔH⁰_{298 (реакции)} = - 393,5 + 2(-285,8) – (-75,0) - 20 = - 890,1 кДж.

Задача 2. Определите, сколько теплоты выделится при сгорании 12 л метана (условия нормальные).

Решение. Записываем уравнение реакции горения метана:

CH₄ (г) + 2O₂ (г) = CO₂ (г) + 2H₂O (ж).

Используя следствие из закона Гесса и справочные данные [6], находим тепловой эффект данной химической реакции:

ΔH⁰₂₉₈(СН₄) = - 75,0 кДж/моль; ΔH⁰₂₉₈ (СО₂) = -393,5 кДж/моль;

ΔH⁰₂₉₈ (Н₂О ж) = -285,8 кДж/моль; ΔH⁰₂₉₈ (О₂) = 0; тогда

Далее, учитывая, что реакция протекает при нормальных условиях, определяем количество выделившейся теплоты при сгорании 12 л СН₄:

22,4 л СН₄ - (-890,1 кДж)

12,0 л СН₄ - ΔН; ΔН = = - 4776,8 кДж.

449. Определите температуру, при которой процесс:

4NH₃ + 5O₂= 4NO +6H₂O начнет протекать самопроизвольно.

449. Определить сколько тепла выделится или поглотится в газовой реакции: 2NO + O₂ = 2NO₂, если при этом образуется 112 л (н.у.)оксида азота (IV).

450. Определить сколько тепла выделится или поглотится в реакции, если при этом образовалось 15 г серы: SO₂ (г) + 2 Н₂S (г) = S(т) + 2 Н₂О (ж).

451. Какие из перечисленных оксидов могут быть восстановлены алюминием при 298 К: PbO, Fe₂O₃, Cr₂O₃? Ответ подтвердить реакциями и расчетами.

452. Определите возможность превращения при стандартных условиях ацетилена в бензол: 3 С₂Н₂ (г) = С₆Н₆ (ж).

453. Рассчитайте тепловой эффект реакции: Fe₂O₃ + 2 Al = 2 Fe + Al₂O₃, если было получено 336 г железа.

454. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по реакции: PCl₅(г) = PCl₃ (г) +Cl₂ (г), H⁰ = 92,59 кДж.

455. Какие из перечисленных оксидов могут быть восстановлены алюминием при 298 К: СаО, FeO, CuO? Ответ подтвердить реакциями и расчетами.

456. Определите, в каком направлении при стандартных условиях будут протекать следующие реакции:

а) NiO + Pb = Ni + PbO; б) 3 Fe₃O₄ + 8 Al = 4 Al₂O₃ + 9 Fe.

449. Рассчитайте тепловой эффект реакции: Fe(к) +3H₂O(г)= Fe₂O₃(к) +3H₂(г), если образовалось 11,2 л водорода (н.у.).

450. Рассчитайте, протекание какой из приведённых реакций наиболее вероятно в стандартных условиях: а) FeO(к) + C(к) = Fe(к) + CO(г); б) FeO(к) + CO(г) = Fe(к) + CO₂(г)

451. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида цинка углеродом с образованием СО в стандартных условиях.

452. Определите возможность превращения при стандартных условиях бензола в ацетилен: С₆Н₆ (ж) = 3 С₂Н₂ (г).

453. Рассчитайте тепловой эффект реакции: Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O_3. Какой является эта реакция - эндо- или экзотермической ?

454. Вычислите стандартный тепловой эффект и запишите термохимическое уравнение реакции: Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe .

455. Рассчитайте температуру, при которой равновероятны оба направления реакции: 2AgNO₃(к) = 2Ag(к) + 2NO₂(г) + O₂(г).

456. Рассчитайте, сколько тепла выделится при сгорании 100 г сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ при стандартных условиях.

457. Определите возможность протекание при стандартных условиях реакции: N₂(г) + 2 H₂O(г) = NH₄NO₂ (г).

458. Пользуясь табличными значениями H⁰, вычислите энтальпию сгорания этилена C₂H₄.

459. Восстановление Fe₃O₄ оксидом углерода идет по уравнению: Fe₃O₄ (к) + СО(г) = 3FeO(к) +СО₂(г). Вычислите G⁰₂₉₈ и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно S⁰₂₉₈ в этом процессе?

460. Сколько тепла выделится при реакции горения 100 л СО до СО₂?

461. Рассчитайте, для каких оксидов принципиально осуществима реакция восстановления водородом в стандартных условиях:

а) ZnO, б) NiO, в) Fe₂O₃

449. Для реакции: SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si, вычислите тепловой эффект и, записав термохимическое уравнение, укажите, является эта реакция экзо- или эндотермической.

450. Для каких оксидов наиболее вероятна реакция восстановления водородом при стандартных условиях: а) FeO; б) Fe₂O₃; в) Fe₃O₄?

451. Вычислите энтальпию образования пропана C₃H₈, если при сгорании 11 г его выделилось 552 кДж тепла.

452. Определите, протекание какой реакции более вероятно при стандартных условиях: а) CO(г) + Cl₂(г)=COCl₂(г);

б) SO₂(г) + NO₂(г) = SO₃(г) + NO(г).

449. Определите тепловой эффект реакции: 2NH₃(г) + 5/2 O₂(г) = 2NO(г) + 3H₂O(ж), при стандартных условиях, используя табличные значения G⁰ и S⁰ для реагирующих веществ.

450. Рассчитайте температуру, при которой равновероятны оба направления реакции: СO(г) + Cl₂(г) = СОCl₂(г).

451. Какие из металлов могут быть восстановлены водородом из их оксидов при стандартных условиях: а) CaO; б) SnO; в) Al₂O₃?

452. Энтальпия сгорания метана H_сг⁰ = 890 кДж/моль. Определите энтальпию образования CH₄.

453. Сколько тепла выделилось или поглатилось в реакции:

Fe₂O₃(к) + 3H₂(г) = 2Fe(к) + 3Н₂О(г), если прореагировало 20 л водорода?

449. Рассчитайте стандартную энтропию реакции:

2KClO₃(к) =2KCl(к) + 3O₂(г). Будет ли эта реакция протекать самопроизвольно в изолированной системе при стандартных условиях?

449. Рассчитайте температуру, при которой равновероятны оба направления реакции: CO₂(г) + С(т) = 2СО(г).

450. Сколько тепла выделится при сжигании 38 г сероуглерода CS₂, если энтальпия его образования Н⁰₂₉₈ = 92,7 кДж/моль?

451. Определите, в каком направлении протекает реакция:

HCl (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г) + 2Cl₂ (г) при стандартных условиях.

449. Определите тепловой эффект горения бензола C₆H₆, если при сгорании его 0,2 моль выделяется 7540,85 кДж тепла.

450. Определите стандартную энтальпию образования метилового спирта CH₃OH, если энтальпия его сгорания Н⁰сг = -725,64 кДж/моль.

451. В каком направлении при стандартных условиях будет протекать следующая реакция: 2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃ (г)?

452. Сколько тепла выделится в процессе : СО(г) + 2Н₂ (г)=СН₃ОН (г), если масса вступающего в реакцию оксида углерода (II) СО равна 2,8 кг.

453. Определите, возможно ли протекание реакции при стандартных условиях: Al₂O₃(к) + 3СО(г) = 2 Al(к) + 3CO₂(г).

454. Исходя из уравнения реакции: CH₄(г) + 2O₂(г) = CO₂(г) + 2H₂O(ж), рассчитайте объём сгоревшего метана (н.у.), если при этом выделилось 1786 кДж тепла.

455. Можно ли использовать при стандартных условиях для получения аммиака следующую реакцию:

NH₄Cl(к)+NaOH(к) = NH₃(г)+NaCl(к)+ H₂O(г)?

449. Вычислите энтальпия образования этана С₂Н₆, если нтальпия его сгорания ∆ Н⁰_сг = -1560 кДж/моль.

450. Определить сколько тепла выделится, если в реакцию вступило 80 л хлора (н.у.): 2 P(к) + 5Сl₂(г) = 2PCl₅(г).

451. При какой температуре наступит равновесие системы: 4HCl (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г) + 2Cl₂ (г), H⁰ = -114,42 кДж?

452. Определите возможность протекания при стандартных условиях реакции: H₂ (г) + SO₂ (г) = 3S (к) + 2H₂O(г)

453. Определите стандартную энтропию реакции: Ag₂CO₃(к)=Ag₂O(к)+CO₂(г). Будет ли эта реакция протекать самопроизвольно в изолированной системе при стандартных условиях?

454. Исходя из энтальпии образования воды и теплового эффекта реакции: H₂O₂(ж) = Н₂О(ж) + 1/2О₂ ( Н^о = -98,3 кДж), вычислите энтальпию образования пероксида водорода.

455. Вычислите энтальпию образования карбида кальция CaС₂, исходя из теплового эффекта реакции: CaO(к) + 3C(к) = CaC₂(к) + CO(г), ∆H⁰ = 460 кДж.

456. Рассчитайте температуру, при которой равновероятны оба направления реакции:CuCl₂ (к) + H₂O (г) = CuO (к) + 2HCl (г).

457. В процессе реакции: 2SO₂ (г) + О₂(г) = 2SO₃(г) выделилось 1000 кДж тепла. Сколько оксида серы (VI) при этом образовалось?

458. Для реакции: PbO₂ (к) + Pb(к) = 2PbO(к) вычислите ∆G⁰ на основании ∆H⁰ и ∆S⁰ реагирующих веществ. Определите, возможно ли течение этой реакция при стандартных условиях.

459. Определить возможность протекания при температуре 250 ⁰С процесса: GeO₂(к) + 2С(гр.) = Ge(к) + 2СО(г).

460. Определите при какой температуре начнется реакция восстановления Fe₃O₄ протекающая по уравнению: Fe₃O₄(к)+CO(г) = 3FeO(к) + CO₂(г), H⁰ = 34,55 кДж

461. Вычислите G⁰₂₉₈ для следующих реакций: CaF₂(к)+Cl₂(г) = CaCl₂(к) + F₂(г); б)PbO₂ (к) +2 Zn(к)= Pb(к) + 2 ZnO(к). Можно ли получить фтор по реакции (а) и восстановить PbO₂ цинком по реакции (б)?

462. Приняв стандартные значения энтальпии и энтропии реакции, не зависящие от температуры, рассчитайте предельную температуру для процесса термического разложения карбоната магния:

MgCO₃(к) = MgO(к) + CO₂(г).

449. Сколько тепла выделится, если в реакции образовалось при стандартных условиях 50 л углекислого газа (н.у.):

3Fe₂O₃(к) + CO(г) = 2Fe₃O₄(к) + CO₂(г)?

449. При какой температуре возможно осуществление процесса:

Na(к) + Cl₂(г) = 2 NaCl(к).

449. Сколько было взято гидроксида натрия, если при его нейтрализации хлороводородом по реакции: NaОН(к)+ НС1(г) = NаС1(к) + Н₂О(ж) выделилось 352,9 кДж тепла ?

450. Реакция между хлором и водородом идет по уравнению: С1₂(г)+Н₂(г) = 2НС1(г). Зная, что при участии в реакции 1 г хлора выделяется 8,24 кДж тепла, вычислить стандартную энтальпию образования НС1.

451. Сколько тепла выделится при сжигании 38 г сероуглерода CS₂ ес­ли его энтальпия образования ΔН^о = 62,7 кДж/моль.

452. Определите, протекание какой реакции более вероятно при стандартных условиях:а) CO +Cl₂ = COCl₂; б) SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO.

453. Пользуясь табличными значениями ΔН^о вычислите энтальпию сгорания этилена.

454. Рассчитайте, для каких оксидов принципиально осуществима реакция восстановления водородом в стандартных условиях: а) ZnO, б) NiO, в) SrO.

455. Для реакции Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃ вычислите тепловой эф­фект, запишите термохимическое уравнение и укажите, является реакция экзо- или эндотермической.

456. Рассчитайте, протекание какой из приведённых реакций наиболее вероятно в стандартных условиях: а) FeO(к) + C(к) = Fe(к) + CO(г); б) FeO(к) + CO(г) = Fe(к) + CO₂(г)

457. Вычислите стандартную энтальпию образования сахарозы C₁₂H₂₂O₁₁ исходя из термохимического уравнения:

C₁₂H₂₂O₁₁(к) + 12 O₂(г) = 12 CO(г) +11H₂O(ж), ΔН^о = -5694 кДж

449. Сколько тепла выделится при сгорании 12 г глюкозы?

450. Вычислить стандартное изменение энергии Гиббса для химической реакции: NH₃(г)+ НCl(г)= NH₄Cl(к) по значениям стандартных энтальпий образования и энтропий веществ, участвующих в реакции.

451. Вычислите при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по реакции:

PCl₅(г) = PCl₃(г) + Cl₂(г), H⁰ = 92,59 кДж

449. Какие из перечисленных оксидов могут быть восстановлены алюминием при 298 К: СаО, FeO, CuO? Ответ подтвердить реакциями и расчетами.

450. На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению С₂Н₂(г)+ 3О₂=2СО₂(г)+ 2Н₂О(ж). Возможна ли данная реакция при стандартных условиях?

451. Пользуясь справочными данными, покажите, что данная реакция невозможна в стандартных условиях. Сu(к) + ZnO(к) = CuO(к) + Zn(к).

452. Вычислите Н⁰₂₉₈, S⁰₂₉₈ , G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению ТiO₂ (к)+ 2C(к) = Ti(к)+ 2CO(г). Возможна ли реакция восстановления ТiO₂ углеродом при 1000 и 3000К?

453. Вычислите изменение энтропии для реакций, протекающих по уравнениям: 2СН₄(г) = С₂Н₂(г) + 3Н₂(г)

N₂ + 3Н₂(г) = 2NH₃(г)

С(графит) + О₂(г) = СО₂(г)