Решение типовых задач

Алгоритм действия по вычислению энтальпии реакции:

1. Запишем уравнение

2. Выпишем n

3. Выпишем значения DН⁰

4. Проведем расчеты по формуле: DН⁰_реак= åDН⁰_прод-åD Н⁰_исх

Задача 1. Определить тепловой эффект реакции взаимодействия оксида алюминия и оксида серы (VI) с образованием соли – сульфата алюминия.

Al₂O_{3 (т)} + 3SO_{3 (т)} = Al₂(SO₄)_{3 (т)} Выпишем n и DН⁰

n 1 3 1

DН⁰₂₉₈ -1676 -396 -3442

DН⁰_реак= å(n ∙DН⁰_прод) - å(n∙ D Н⁰_исх);

где å- знак суммирования;

n – стехиометрические коэффициенты;

DН⁰- стандартные энтальпии образования химических веществ;

Алгоритм действия по вычислению энтальпии реакции:

1. Составляем уравнение реакции, правым нижним индексом указываем агрегатное состояние веществ.

2. По таблице приложения находим значения DН⁰₂₉₈ образования Al₂O₃, SO₃, Al₂(SO₄)₃ и под каждым химическим символом в уравнении реакции подписываем значение DН⁰₂₉₈ , взятое из таблицы с множителем, равным стехиометрическому коэффициенту;

3. Суммируем все значения энтальпий продуктов реакции и вычитаем из них сумму энтальпий исходных веществ.

4. Расчет: DН= (-3442) – [1×(-1676) + 3×(-396)]= -578 кДж, т.е. реакция экзотермическая

Ответ: DН= -578 кДж .

Задача 2. Какой знак имеет DН, DS и TDS для экзотермической реакции:

2Н₂ (г) + О₂ (г) = 2Н₂О (г)

n 2 1 2

Ответ: реакция экзотермическая, т.е. DН < 0.

При ее протекании объем системы уменьшается (из 3 моль газообразных веществ образуется 2 моль), т.е. DS<0, поэтому TDS<0.

Задача 3. В каком направлении – прямом или обратном – протекает реакция 2Н₂ (г) + О₂ (г) = 2Н₂О (г)

при:

а) Т=298⁰К (25⁰С), если DН= -484 кДж, TDS= -26 кДж

б) Т=1000⁰К (737⁰С), если DН= -484 кДж, TDS= -890 кДж

Решение:

Реакция возможна, если удовлетворяется условие: DН - TDS < 0

Подставим значения DН и TDS в это выражение.

а) при Т=298⁰К: -484-(-26) = -458 кДж,

т.е. реакция протекает в прямом направлении, ее осуществление обуславливает энтальпийный фактор.

б) Т=1000⁰К: -484-(-890) = 406 кДж,

в прямом направлении реакция невозможна из-за энтропийного фактора TDS (по абсолютной величине) >DН.

Задача 4.

Возможно ли протекание реакции восстановления оксида железа (III) водородом при стандартных условиях, если DS=0,1387 кДж/моль ⁰К ? При какой температуре будет проходить этот процесс?

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2 Fe + 3H₂O, DH=96,61 кДж

Решение:

DG = DH-TDS = 96,61-298×0,1387=55,28кДж/моль;

в стандартных условиях эта реакция невозможна, т.к. DG > 0, при этих условиях идет коррозия (реакция окисления железа).

Вычислим температуру, при которой эта реакция становится возможной (Равновесие: DG = 0 Þ DН=ТDS).

Отсюда

Ответ : следовательно, при Т~ 696,5⁰К начинается реакция восстановления оксида железа (III).

Задача 5. Определить направление реакции в системе

CН₄ + СО₂ « 2СО + 2Н₂

Вычислим величину DG⁰₂₉₈ прямой реакции. В таблице находим, что для СН₄ эта величина равна – 50,85 кДж/ моль, для СО₂ - 394,37 кДж /моль, для СО – 137,15 кДж /моль и для Н₂ 0 кДж/моль. Согласно второму следствию из закона Гесса

DG⁰₂₉₈ = [2(- 137,15) + 2(0)] – [(- 50,85) + (- 394,37)] =

= + 170,92 кДж/моль

Ответ : Так как полученная величина больше нуля, то прямая реакция при стандартном состоянии системы протекать не может.

Задача 6.

Пользуясь справочными данными (см. приложение) рассчитайте изменение энтропии, энергии Гиббса и энтальпии в процессе усвоения в организме человека сахарозы, который сводится к её окислению:

С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} + 12 О_2(г) → 12 СО_2(г) + 11Н₂О_(Ж)

Дано:

n моль 1 12 12 11

∆ Н⁰ кДж/моль -2222 0 –393,5 -286

∆ S⁰ Дж/моль 360 205 214 70

∆ G⁰ кДж/моль -1545 0 –394,4 -237

Решение :

∆ Н⁰_{реакции} = [12∆ Н⁰ _прод.( СО_2(г) )+11 ∆ Н⁰_прод. (Н₂О_(Ж))] -

[∆ Н⁰_исхд. (С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} )+12 ∆ Н⁰ _исх (О_2(г) ) ] = [12• (–393,5) +11 • (-286)] - [ -2222 + 12• 0] = -5646 кДж/моль;

∆ S⁰_{реакции} = [12∆ S⁰ _прод.( СО_2(г) )+11 ∆ S⁰_прод. (Н₂О_(Ж))] -

[∆ S⁰_исхд. (С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} )+12 ∆ S⁰ _исх (О_2(г) ) ] = [12 • 214) +(11• 70)] - [360 + 12• 205 ] = + 723 Дж/(моль К)

∆ G⁰_{реакции} = [12∆ G⁰ _прод.( СО_2(г) )+11 ∆ G⁰_прод. (Н₂О_(Ж))] -

[∆ G⁰_исхд. (С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} )+12 ∆ G⁰ _исх (О_2(г) ) ] = [12 • (–394,4) +11• (-237)] - [ (-1545 )- 12• 0] = -5794,8 кДж/моль;

Ответ: ∆ Н⁰_{реакции} = -5646 кДж/моль;

∆ S⁰_{реакции} = + 723 Дж/(моль К);

∆ G⁰_{реакции} = -5794,8 кДж/моль;

Задания для индивидуальной самостоятельной работы

53. – 77. На основании стандартных энтальпий образования ΔН⁰₂₉₈ и абсолютных энтропий DS⁰₂₉₈ , которые даны в приложении, для каждого варианта веществ, определите:

• ΔН⁰₂₉₈ реакции, DS⁰₂₉₈ реакции и DG⁰₂₉₈ реакции.

• Сделайте вывод о термодинамической вероятности протекания реакции при стандартных условиях;

• Сформулируйте законы термохимии, которыми вы пользовались при решении этой задачи.

Вариант	Уравнение реакции	Вариант	Уравнение реакции
53	CO(г) + H2O(ж) → CO2(г) + H2(г)	66	2H2S + 3 O2 → 2 H2O +2SO2
54	H2 + Cl2 → 2HCl	67	CO + Cl2 → COCl2
55	2C2H2 + 5O2 → 4CO2+2H2O	68	4NH3+3O2 → 6H2O + 2N2
56	H2+CO2 →CO + H2O	69	CS2 + 3O2 → CO2 + 2SO2
57	CO + 3H2 → CH4+ H2O	70	Fe2O3 + 3CO→ 2Fe + +3CO2
58	C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O	71	2H2S + SO2 → 3S + 2H2O
59	4NH3 +5O2 → 4 NO + 6 H2O	72	2CH3OH+3O2 → 2 CO2 + 4H2O
60	NH3 + HCl →NH4Cl	73	CO + H2O → H2+CO2
61	2H2O2 → 2 H2O + O2	74	2C2H6+7O2 → 4CO2+6H2O
62	2SO2 + O2 →2SO3	75	CH4+2O2 →CO2 + 2H2O
63	SO2 + NO2 →SO3 + NO	76	4HCl + O2 → 2 H2O +2Cl2
64	CH4 + 4Cl2 →CCl4 +4HCl	77	2PH3 + 4O2 → P2O5+ 3H2O
65	SO2 + 2H2S →3S + 2 H2O

78. Вычислите изменение энтропии при превращении 1 моля льда при -5⁰С в водяной пар при 105⁰С?

79. Вычислите энергию Гиббса при 373К, если ΔН⁰ реакции 13873 Дж/моль, S = 42,2 Дж/(моль∙К)

80. Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и диоксида углерода равен -3135,58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования бензола.

81. – 86. По приведенным в таблице данным рассчитайте температуру (К), при которой равновероятны оба направления реакции:

Вариант	Уравнение реакции	ΔН0, кДж	∆S0, Дж/(моль∙К)
81	СО2(г) + С(т) ↔ 2СО(г)	+173	+176
82	N2 (г) + 3H2(г) ↔ 2NH3(г)	-92	-201
83	CO(г) + H2(г) ↔ C(т) + H2O(г)	-132	-134
84	2NO(г) + O2(г) ↔ 2NO(г)	-116	-147
85	PCl5(г) ↔ PCl3 (г) + Cl2(г)	+88	+171
86	2NO2(г) ↔ N2O4(г)	-57	-176