Химическое сродство Примеры решения задач

Пример 1. Не производя вычислений, определите знак изменения энтропии в следующих реакциях:

1) NH₄NO_3(К) = N₂O_(Г) + 2H₂O_(Г);

2) 2H_2(Г) +O_2(Г) = 2H₂O_(Г);

3) 2H_2(Г) + О_2(Г) = 2H₂O_(Ж).

Решение. В реакции (1) 1 моль NH₄NO₃ в кристаллическом состоянии образует 3 моль газов, следовательно, _rS₁>0.

В реакциях (2) и (3) уменьшается как общее число молей, так и число молей газообразных веществ. Так что _rS₂<0 и _rS₃<0. При этом _rS₃ имеет более отрицательное значение, чем _rS₂, т.к. S_H2O(Ж) < S_H2O(Г).

Пример 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе

C H4(_Г) + CO_2(Г) 2CO_(Г) + 2H_2(Г)?

Решение. Для ответа на вопрос следует вычислить _rG°(298 K) прямой реакции. Зная, что G есть функция состояния и что _fG°(298 K) для простых веществ, находящихся в устойчивых (базовых) состояниях , равны нулю , находим _rG°(298 K) процесса:

_rG°(298 K) =  _fG°(298 K)_ПРОД –  _fG°(298 K)_ИСХ;

_rG°(298 K) = [2 моль  (–137,27) кДж/моль+ 2 моль  0 кДж/моль] –

– [1 моль  (–50,79) кДж/моль + 1 моль  (–394,38) кДж/моль] = = 170,63 кДж.

Так как _rG°(298 K)>0, то самопроизвольное протекание прямой реакции при стандартных условиях невозможно.

Пример 3. По изменению энтропии реакции определите, может ли следующая реакция протекать самопроизвольно при постоянной температуре:

2С_{(графит)} + 3Н_2(Г) = С₂Н_6(Г).

Решение. Из табл.П3 находим:

S°(С_{(ГРАФИТ)}) = 5,69 Дж/(мольК)_;

S°(H₂) = 130,59 Дж/(мольК);

S°((C₂H₆)_(Г) )= 229,5 Дж/(мольК)_.

_{Изменение энтропии химической реакции (rS°) равно:}

_{rS° =  S°ПРОД –  S°ИСХ ;}

_{rS° = 1 моль  229,5 Дж/(мольК) – [ 2 моль  5,69 Дж/(мольК) +}

_{+3 моль130,59 Дж/(мольК)]=–173,65 Дж/К.}

Данная реакция самопроизвольно протекать не может, так как _rS°<0.

Примечание: индекс температуры (298 К) при записи S°(298 K)(В) и _rS°(298 K) допускается не указывать.

Пример 4. Будут ли реакции

1. C l_2(Г) + 2HI_(Г) I_2(К) + 2HCl(г),

2 ) I_2(К) + H₂S_(Г) 2HI_(Г) + S_(К)

самопроизвольно протекать в прямом направлении при 298 К?

Решение. Находим значение _rG°(298 K) рассматриваемых реакций. Из табл. П4 находим:

_fG°(298 K) (HCl) = –95,2 кДж/моль;

_fG°(298 K) (HI) = 1,8 кДж/моль;

_fG°(298 K) (H₂S) = –33,8 кДж/моль _.

Отсюда для реакций (1) и (2) соответственно:

_rG°(298 K) = 2 моль ^ (–95,2) кДж/моль – 2 моль ^1,8 кДж/моль = = –194,0 кДж;

_rG°(298 K) = 2 моль ^ 1,8 кДж/моль – 1 моль ^ (–33,8) кДж/моль= =37,4 кДж.

Отрицательный знак _rG°(298 K)₁ указывает на возможность самопроизвольного протекания реакции (1), а положительное значение _rG°(298 K)₂ означает, что реакция (2) в указанных условиях протекать не может.

Пример 5. Вычислить стандартное изменение свободной энергии Гиббса при 298,15 К для реакции

NH_3(Г) + HCl_(Г) = NH₄Cl_(К)

на основании стандартных значений _fH°(298 K) и S°(298 K) (табл.П2 и П3).

Решение. Определяем _rH°:

_rH° =  _fH°_ПРОД -  _fH°_ИСХ ;

_rH° = 1 моль ^ (-315,39) кДж/моль - [1 моль ^ (-46,19) кДж/моль +

+1 моль ^ (-92,31) кДж/моль] = -176,89 кДж

(реакция экзотермическая).

Находим изменение энтропии реакции:

_rS° = 1 моль ^ 94,5 Дж/(мольК) - [ 1 моль ^192,5 Дж/(мольК) +

+1 моль ^ 186,68 Дж/(мольК)] = -284,68 Дж/К.

Затем находим изменения свободной энергии Гиббса процесса:

_rG° (Т) = _rH° – Т_rS°;

_rG°(298 K) = –176,89кДж + 298,15 К  284,6810^–3 кДж/К = = –92,01 кДж.

Так как _rG°(298 K)<0 , то данная реакция термодинамически возможна.

Пример 6. Найдите изменение энтропии при плавлении 250 г свинца, если его удельная теплота плавления 23040 Дж/кг, а температура плавления составляет 327,4 °С .

Решение. Изменение энтропии при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое равно

_iS = ^_i^H/_T ,

где _iH – теплота обратимого фазового превращения (i – подстрочный индекс, указывающий характер фазового перехода); Т – абсолютная температура фазового превращения.

Теплота плавления 0,25 кг свинца

23040 Дж/кг  0,25 кг = 5760 Дж.

Абсолютная температура

327,4 + 273,15 = 600,55(К).

Изменение энтропии при плавлении 250г свинца

_mS =5760 Дж/600,55 К = 9,59 Дж/К.