Химическая термодинамика

Задача 1. Стандартные энтальпии образования жидкой и газообразной воды при 298 К равны -285,8 и -241,8 кДж·моль^-1, соответственно. Рассчитайте энтальпию испарения воды при этой температуре.

Задача 2. Рассчитайте энтальпию реакции 6С_(г) + 6Н_(г) = С₆Н_{6 (г)}

а) по энтальпиям образования; б) по энергиям связи, в предположении, что двойные связи в молекуле С₆Н₆ фиксированы.

_fH^o(C₆H_6(г)) = 82,93 кДж/моль; _fH^o(C_(г)) = 716,68 кДж/моль; _fH^o(Н_(г)) = 217,97 кДж/моль; Е(С-Н) = 412 кДж/моль; Е (С-С)=348 кДж/моль; Е(С=С)=612 кДж/моль.

Задача 3. Пользуясь справочными данными, рассчитайте энтальпию реакции при 298 К.

3Cu _(т) + 8HNO_{3 (aq)} = 3Cu(NO₃)_{2 (aq)} + 2NO _(г) + 4H₂O _(ж)

_fH^o(Н₂О_(ж)) =-285,8 кДж/моль; _fH^o(NO_(г))= 90,25 кДж/моль; _fH^o(Cu ) = 64,77 кДж/моль; _fH^o(NO )= -205 кДж/моль;

Задача 4. Рассчитайте энтальпию сгорания метана при 1000 К, если даны энтальпия образования при 298 К:

Δ_fН^о (CH₄) = – 17,9 ккал·моль^-1,

Δ_fН^о (CО₂) = – 94,1 ккал·моль^-1,

Δ_fН^о (Н₂О_(г)) = – 57,8 ккал·моль^-1.

Теплоемкости газов (в кал·моль^-1·К^-1) в интервале от 298 до 1000 К равны:

С_р (СН₄) = 3,422 + 0,0178·Т, С_р (О₂) = 6,095 + 0,0033·Т,

С_р (СО₂) = 6,396 + 0,0102·Т, С_р (Н₂О_(г)) = 7,188 + 0,0024·Т,

Задача 5. Каков стандартный тепловой эффект реакции

Fe₂O_{3 (т)} + 2Al_(т) = 2Fe_(т) + Al₂O_{3 (т)} ΔН^о₂₉₈ ,

если стандартная теплота образования Al₂O_3(т) равна -1670 кДж/моль, а Fe₂O_3(т) равна -821 кДж/моль?

Задача 6. Стандартные теплоты образования из элементов сульфата меди CuSO₄ и воды соответственно равны -771 и -286 кДж/моль, а теплота образования гидратированной соли CuSO₄·5H₂O и теплота растворения ее в воде составляют - 2280 и 11,7 кДж/моль. Чему равен тепловой эффект растворения в воде 1 кмоль безводной соли?

Задача 7. По стандартным тепловым эффектам сгорания этилового спирта С₂Н₅ОН - 1370, уксусной кислоты СН₃СООН - 876 и этилацетата СН₃СООС₂Н₅ - 2250 кДж/моль рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции получения этилацетата: С₂Н₅ОН + СН₃СООН = СН₃СООС₂Н₅ + Н₂О .

Задача 8. Зависимость теплоемкости сухих корней стальника от температуры можно выразить уравнением С_р = -2,53 + 0,01·Т Дж/(г·К). Какое количество теплоты необходимо для нагревания 100 г корней стальника от 353 до 373 К.

Задача 9. Найти тепловой эффект реакции ZnS_(т) + 3/2O_{2 (г)} = ZnO_(т) + SO_{2 (г)}

при температуре 900^оС, если зависимости теплоемкостей реагентов от температуры таковы:

С_р (ZnS_(т)) = 54·10³ + 4,96·Т – 8,12·10⁸·Т^-2 Дж/(кмоль·К);

С_р (ZnО_(т))= 47,6·10³ + 4,8·Т – 8,25·10⁸·Т^-2 Дж/(кмоль·К);

С_р (O_2(г)) = 31,5·10³ + 3,39·Т – 3,77·10⁸·Т^-2 Дж/(кмоль·К);

С_р (SО_2(г)) = 71,5·10³ + 10,73·Т – 12,72·10⁸·Т^-2 Дж/(кмоль·К).

Стандартные теплоты образования веществ из элементов следующие:

Δ_fН (ZnS_(т)) = -203·10⁶ Дж/кмоль;

Δ_fН (ZnО_(т)) = -348·10⁶ Дж/кмоль;

Δ_fН (SО_2(г)) = -297·10⁶ Дж/кмоль.

Задача 10. Найдите значение теплового эффекта реакции

Fe₂O_{3 (т)} + 2Al_(т) = 2Fe_(т) + Al₂O_{3 (т)}

при 650^оС, используя следующие данные по теплоемкости:

С_р(Al)= 0,745 + 44,98·10^-5·Т (Дж/(г·град);

С_р(Al₂O₃)= 1,082 + 17,4·10^-5·Т – 30,4·10³·T^-2 (Дж/(г·град);

С_р(Fe)= 0,31 + 48·10^-5·Т (Дж/(г·град);

С_р(Fe₂O₃)= 0,647 + 42,1·10^-5·Т – 11,1·10³·T^-2 (Дж/(г·град).

Стандартный тепловой эффект реакции равен -1698·10⁶ Дж/кмоль.

Задача 11. Определить теплоту реакции СаС₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + С₂Н₂,

если теплоты образования СаС₂, Н₂О, Са(ОН)₂ и С₂Н₂ соответственно равны 15000, -68317, 235800 и -54190 кал/моль. Ответ приведите в кДж/моль.

Задача 12. Найти теплоту образования аммиака на основании следующих данных:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + 571,4 кДж

4NH₃ + 3O₂ = 6H₂O + 2N₂ + 1529,5 кДж

Задача 13. . Рассчитайте энтальпию, энтропию и свободную єнергию Гиббса реакции окисления глюкозы С₆Н₁₂О₆ (т) + 6О₂(г) = 6СО₂(г) + 6Н₂О (ж)

По значениям стандартных энтальпий образования и энтропий:

	О2	СО2	Н2О	С6Н12О6
ΔН , кДж/моль	0	-393,5	-285,8	-1273,0
ΔS , Дж/мольK	205,0	213,7	70,1	212,13
ΔG , кДж/мольK	0	-394,4	237,3	-919,5

Задача 14. Используя инкрементную схему, рассчитайте значение изобарной теплоемкости изо-бутилацетата при 293 К.

Задача 15. При растворении 8 г хлорида аммония в 29 г воды температура понизилась на 2^о. Вычислите теплоту растворения NH₄Cl в воде, принимая удельную теплоемкость полученного раствора, равной теплоемкости воды 4,1870 Дж/(г·К).

Задача 16. Рассчитайте изменение внутренней энергии гелия (одноатомный идеальный газ) при изобарном расширении от 5 до 10 л под давлением 196 кПа.

Задача 17. Используя первый закон термодинамики и определение теплоемкости, найдите разность изобарной и изохорной теплоемкостей для произвольной термодинамической системы.

Задача 18. Один моль ксенона, находящийся при 25^оС и 2 атм, расширяется адиабатически: а) обратимо до 1 атм, б) против давления 1 атм. Какой будет конечная температура в каждом случае?

Задача 19. Температурная зависимость константы равновесия реакции гидрирования этилбензола до этилциклогексана С₆Н₅ + С₂Н₅ + 3Н₂ ↔ С₆Н₁₁ – С₂Н₅

выражается следующим эмпирическим уравнением

lgK_Р = – 35,54

Найдите тепловой эффект реакции при температуре 600 К.

Задача 20. Константа равновесия К_р реакции дегидрирования этанола

С₂Н₅ОН_(г) = СН₃СНО_(г) + Н_{2 (г)}

при 378 К равна 6,4·10^-9. Теплоты сгорания этанола и уксусного альдегида соответственно равны (в кДж/моль): -1412 и 1196. Теплота образования воды равна -287 кДж/моль. Пользуясь этими данными, рассчитайте константу К_р при 403 К.

Задача 21. Один моль водяных паров обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при 100^оС. Рассчитайте работу, теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе. Удельная теплота испарения воды при 100^оС равна 2260 Дж·г^-1.

Задача 22. Найдите изменение энтропии идеального газа в процессе от точки 1 до точки 2.

Задача 23. Каково изменение энтропии при изобарическом нагревании 1 кмоль бромида калия от 300 до 400 К?

Теплоемкость твердого бромида калия выражается

уравнением C_р (KBr) = 40,4·10^-2 + 12,8·10^-3·T (Дж/(г·град).

Задача 24. Найдите изменение энтропии при смешении 200 г воды, взятой при температуре 320К, и 150 г льда, взятого при температуре 263К. Теплоемкость воды равна 4,187 Дж/(г·град), льда - 1,88 Дж/(г·град), а удельная теплота плавления льда - 335 Дж/г.

Задача 25. Найдите изменение энтропии при изотермическом смешении 1 кмоль азота с 1 кмоль кислорода, взятом при том же давлении. Принять, что оба газа подчиняются уравнению состояния идеальных газов.

Задача 26. Нормальная температура замерзания жидкости А равна Т_о. Жидкость переохлаждена до температуры Т₁ (Т₁<Т_о). Найти изменение энтропии при перекристаллизации переохлажденной жидкости, приняв, что нормальная теплота плавления вещества А равна ΔH^о, а теплоемкости жидкости и твердого вещества равны С_ж и С_т и не зависят от температуры.

Задача 27. Найдите изменение энтропии газа и окружающей среды, если n молей идеального газа расширяются изотермически от объема V₁ до объема V₂:

а) обратимо; б) против внешнего давления p.

Задача 28. Рассчитайте изменение энтропии при нагревании 0,7 моль моноклинной серы от 25 до 200^оС при давлении 1 атм. Мольная теплоемкость серы равна:

C_p (S_(тв)) = 23,64 Дж·моль^-1·К^-1,

C_p (S_(ж)) = 35,73 + 1,17·10^-3·Т Дж·моль^-1·К^-1.

Температура плавления моноклинной серы 119^оС, удельная теплота плавления 45,2 Дж·г^-1.

Задача 29. Рассчитайте изменение энтропии 1000 г воды в результате ее замерзания при -5^оС. Теплота плавления льда при 0^оС равна 6008 Дж·моль^-1. Теплоемкости льда и воды равны 34,7 и 75,3 Дж·моль^-1·К^-1, соответственно. Объясните, почему энтропия при замерзании уменьшается, хотя процесс – самопроизвольный.

Задача 30. Определите количество теплоты, выделяющейся при гашении 100 кг извести водой при 25^оС, если известны стандартные теплоты образования веществ, участвующих в химической реакции:

ΔН (CaO_(к))= -635,1 кДж/моль;

ΔН (Н₂О_(ж)) = -285,84 кДж/моль;

ΔН (Ca(OН)_{2 (к)}) = -986,2 кДж/моль.

Задача 31. Определите стандартную теплоту образования этилового спирта, если теплоты сгорания углерода, водорода и этилового спирта равны соответственно: -393,51; -285,84; -1366,9 кДж/моль.

Задача 32. Рассчитайте ΔН и ΔU системы: 2Cl₂ + 2H₂O_(г) = 4HCl_(г) + O₂

если ΔН (Н₂О_(г)) = – 241,84 кДж/моль, ΔН (HСl_(г)) = 92,3 кДж/моль.

Задача 33. Определите тепловой эффект реакции синтеза акриловой кислоты при 298 К: СН ≡ СН_(г) + СО_(г) + Н₂О_(ж) → СН₂ = СН – СООН_(ж) , если известны стандартные теплоты сгорания веществ, участвующих в химической реакции:

ΔН (СН ≡ СН_(г)) = -1299,63 кДж/моль;

ΔН (СО_(г)) = -282,5 кДж/моль;

ΔН (СН₂ = СН – СООН_(ж)) = -1370 кДж/моль.

Задача 34. Определите изменение внутренней энергии при испарении 250 г воды при 20^оС, допуская, что пары воды подчиняются законам идеальных газов. Объемом жидкости по сравнению с объемом пара можно пренебречь. Удельная теплота парообразования воды 2451 Дж/г.

Задача 35. Удельная теплота плавления свинца 23040 Дж/кг. Температура плавления свинца 327,4^оС. Найдите изменение энтропии при плавлении 250 г свинца.

Задача 36. В каком направлении пойдет реакция, если реагирующие вещества взяты в стандартных условиях

SiO_{2 (к)} + 2NaOH_(р) = Na₂SiO_{3 (к)} + H₂O_(ж)

ΔG (SiO_{2 (к)}) = -803,75 кДж/моль;

ΔG (NaOH_(р)) = -419,5 кДж/моль;

ΔG (Na₂SiO_{3 (к)}) = -1427,8 кДж/моль;

ΔG (Н₂О_(ж)) = - 237,5 кДж/моль?

Задача 37. Определите изменение энтропии в стандартных условиях для следующей химической реакции: 2С_{(графит)} + 3Н_{2 (г)} → С₂Н_{6 (г)}.

Энтропии веществ, участвующих в химической реакции:

ΔS (C_{(графит)}) = 5,74 Дж/(моль·К);

ΔS (Н_{2 (г)}) = 130,6 Дж/(моль·К);

ΔS (C₂Н_{6 (г)}) = 229,5 Дж/(моль·К).

Задача 38. Вычислите стандартное изменение энергии Гиббса для химической реакции NH_{3 (г)} + HСl_(г) = NH₄Cl_(к) по значениям стандартных теплот образования и энтропий веществ, участвующих в реакции.

Вещество NH₃ HСl NH₄Cl

ΔН , кДж/моль - 46,19 - 92,3 - 315,39

S , Дж/(моль·К) 192,5 186,7 94,56

Задача 39. Для реакции С₂Н₅ОН_(ж) + СН₃СООН_(ж) ↔ СН₃СООС₂Н_{5 (ж)} + Н₂О_(ж)

при 298К К_с = 4. Найдите выход эфира (в граммах), если взяты 100 г спирта и 20 г уксусной кислоты.

Задача 40. Определить теплоту сгорания этилена C₂H₄+3O₂=2CO₂+2H₂O_(ж)+Q

исходя из следующих данных:

2С_гр + 2Н₂ = С₂Н₄ – 62,01 кДж/моль (а) С_гр + О₂ = СО₂ + 393,9 кДж/моль (б) Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О_(ж) + 284,9 кДж/моль (в)

Задача 41. Определить теплоту образования ацетилена по энергиям связей отдельных его атомов: 2С_гр + Н₂ = С₂Н₂ + Q_обр. Энергия связи С – Н составляет 358,2, С ≡ С 536 кДж, Н – Н 430 кДж.

Сравнить полученный результат с табличным значением.

Задача 42. Рассчитать тепловой эффект сгорания диэтилового эфира (С₂Н₅)₂О по энергиям разрыва связей при 298 К. Теплота испарения эфира q = 26,2 кДж/моль, а теплота испарения воды q = 44,0 кДж/моль. Энергия связи Е _С=О = 702,9; Е _О-Н = 460; Е _С-Н = 358,2; Е С-С = 262,8; Е _С-О = 374; Е _О≡О = 490,4 кДж.

Задача 43. Вычислить интегральную теплоту растворения хлорида аммония, если при растворении 1,473 г этой соли в 528,5 г воды температура понизилась на 0,174^оС. Массовая теплоемкость полученного раствора 4,109 Дж/(г·К). Теплоемкость калориметра 181,4 Дж/К.

Задача 44. Какое количество теплоты выделится при растворении 200 г моногидрата H₂SO₄ в 350 см³ воды?

Задача 45. Тепловой эффект сгорания СО до СО₂ при 25^оС равен 283 кДж/моль. Определить зависимость теплового эффекта этой реакции от температуры и его значение при 2000К. Температурные зависимости молярных теплоемкостей веществ, участвующих в реакции, выражается следующими уравнениями:

для СО₂ С_υ = 21,39 + 0,02975·Т – 0,000007793·Т² Дж/моль,

для СО и О₂ С_υ = 18,92 + 0,00149·Т Дж/моль.

Задача 46. Подсчитать тепловой эффект реакции при 600^оС, протекающей по уравнению СО + Н₂О_(пар) = СО₂ + Н_2, используя температурные зависимости теплоемкостей реагирующих веществ:

С_р (СО) = 28,41 + 4,10·10^-3·Т – 0,46·10⁵·Т^-2 Дж/(моль·К),

С_р (Н₂О) = 30,00 + 10,71·10^-3·Т – 0,33·10⁵·Т^-2 Дж/(моль·К),

С_р (СО₂) = 44,14 + 9,04·10^-3·Т – 8,53·10⁵·Т^-2 Дж/(моль·К),

С_р (Н₂) = 27,28 + 3,26·10^-3·Т – 0,502·10⁵·Т^-2 Дж/(моль·К).

ΔН^о_СО = 110,5; ΔН^о_Н2=0; ΔН^о_СО2 = 393,51 ; ΔН^о_Н2О = 241,84 кДж/моль.

Задача 47. Рассчитать тепловой эффект реакции, протекающей по уравнению

СО + Н₂О_(пар) = СО₂ + Н₂ по энтальпиям образования веществ. ΔН^о (СО)= 110,5, ΔН^о (Н₂О пар) = 241,84, ΔН^о (СО₂)=393,51 кДж/моль.

Задача 48. При охлаждении 12 л кислорода от 200 до -40^оС одновременно повышается давление от 10⁵ до 6·10⁶ Па. Рассчитать изменение энтропии, если С_р(О₂) = 29,2 Дж/(моль·К). (Считать кислород идеальным газом).

Задача 49. Определить изменение энтропии ΔS при нагревании 30 г ледяной уксусной кислоты от температуры плавления до 60^оС. Температура плавления уксусной кислоты 16,6^оС, теплота плавления 194 Дж/г. Массовая теплоемкость уксусной кислоты в пределах 0 – 80^оС выражается формулой с = 1,96 + 0,0039·t Дж/(г·К).

Задача 50. Определить изменение энтропии и изобарно-изотермического потенциала при стандартных условиях для реакции Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂,

и решить вопрос о возможности самопроизвольного протекания ее при указанных условиях:

ΔG^о (CO₂) = -394,89 кДж/моль; ΔG^о (CO) = -137,4 кДж/моль;

ΔG^о (FeO) = -246,0 кДж/моль; ΔG^о (Fe₃O₄) = -1010 кДж/моль.

Задача 51. Вычислить стандартное изменение изобарного потенциала ΔG^о для реакции С₂Н₂ + 5/2О₂ = 2СО₂ + Н₂О_(ж) + ΔG^о

Δ Н⁰ (СО₂) = -393,51; Δ Н⁰ ( Н₂О_ж) = - 285,84; Δ Н⁰ (С₂Н₂) = 226,75 кДж/моль

Δ S⁰ ( СО₂) = 213,6; Δ S⁰ ( Н₂О_ж) = 69,96; Δ S⁰ (С₂Н₂) = 200,8; Δ S⁰ (О₂) = 205,03 Дж/моль· К.