Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы химической кинетики и химической термодинамики по курсу общей и неорганической химии. Учебное пособие
.pdf
31
Решение: из закона Гесса следует:
;332
00000
..
2322
ГHfкOFefГOHfкfFepxf
HHHHH
78,95)3,821()84,241(3
0
..
pxf
H
84,285H
0
жOHf
2
;
моль
кДж
3,396H
0
COf
2
.
моль
кДж
кДж1560H;жOH3CO2O
2
7
HC
0
.стор22266
.кДж1560H
0
.сгор
;H3H2H
HH
2
7
HH3H2H
0
жOHf
0
COf
0
.сгор
0
HCf
0
Of
0
HCf
0
жOHf
0
COf
0
.сгор
22
6226222
.
моль
кДж12,90
52,5976,7921560)84,285(3)3,396(21560H
0
HCf
62
;
моль
кДж
3,396H
0
COf
2
;
моль
кДж
84,285H
0
жOHf
2
.
моль
кДж
28,752H
0
ГHСf
42
);H3H(H2H2H
0
Of
0
ГHCf
0
жOHf
0
ГCOf
0
.p.x
24222
.кДж72,113028,52)84,285(2)3,396(2H
0
.p.x
кДж.
Данная реакция идет с поглощением теплоты, т.е. является эндотер-
мической.
Пример 10. Стандартный тепловой эффект реакции сгорания
этана равен 1560 кДж. Рассчитать стандартную теплоту образования
этана, если
Решение: горение этана протекает по уравнению
Пример 11. Сколько теплоты выделится при сгорании 20 литров этилена (н.у.), если известна стандартная теплота образования веществ:
Решение: уравнение реакции горения C2H4:
C2H4(г) + 3O2 = 2CO2(г) + 2H2O(ж);
32
Такое количество теплоты выделится при сжигании моль газа C2H4.
.моль893,0
4,22
20
V
)HC(V
)Hv(C
m
42
42
;
моль
кДж
9,46H
0
HNf
3
;
моль
кДж
8,472H
0
диссNf
2
.
моль
кДж
218H
0
Hдиссf
2
.
моль
кДж
1,1173
8,47221839,46HHH2H
0
N.дисс
0
H.дисс
0
NHf
0
NH.диссf
2233
Сгорело 20 л газа, т.е.
Следовательно, при сгорании 0,893 моль C2H4 выделяется
0,893 ∙ –(1130,72) = –1009,6 кДж.
Пример 12. Стандартная теплота образования NH3 = –46,9 кДж/моль.
Рассчитать среднее значение энергии связи N–H в молекуле NH3.
Энергии диссоциации молекул N2 и H2 соответственно равны 945,6 и
436 кДж/моль.
Решение: уравнения реакции:
1)
½ N2 + 3/2H2 = NH3;
2) ½ N
3) ½ H
= N;
2
= H;
2
Теплота образования NH3из атомов равна – 1173,1 кДж/моль.
Среднее значение энергии связи N–H составит – 1173,1 = –391кДж/моль.
Отсюда энергия связи:
= –ΔH
0
= 391 кДж/моль.
N-H
E
св.N–H
Пример 13. Указать знак изменения энтропии в следующих реакциях:
а) N2(г) + 3H2(г) = 2NH3(г);
б) C(к) + H2O(г) = CO2(г) + H2(г);
в) 2CO(г) + O2(г) = 2CO2(г).
Решение: в реакции а) из 4 моль газов образуется 2 моль газа,
поэтому ΔS
лей газов растет, следовательно, ΔS
образуется 2 моль CO2, следовательно, ΔS
0
< 0; т.е. энтропия уменьшается. В реакции б) число мо-
(a)
0
> 0. В реакции в) из 3 моль газов
(б)
0
< 0.
(в)
Пример 14. Определить изменение энтропии в стандартных условиях для следующей химической реакции:
2C (графит)+ 3H2(г) → C2H6 (г).
33
Энтропии веществ, участвующих в химической реакции:
6,130374,525,229S3S2SS
0
)г(H
0
)графит(C
0
гHC
0
.p.x
262
.
К
Дж
.
Т
H
S
.пр.ф
.К/Дж58,120
6,289
34920
S
Вещество
NH3HCl
NH4Cl
ΔfH0, кДж/моль
–46,19
–92,3
–315,39
S
0
298
Дж/моль∙К
192,5
186,7
94,56
Решение: поскольку энтропия – функция состояния системы, то
её изменения ΔS
0
S
298,С(графит)
0
S
298,H2(г)
0
S
298,С2H6(г)
0
в процессе химической реакции можно подсчитать
x.p.
= 5,74 Дж/(моль ∙ К);
= 130,6 Дж/(моль ∙ К);
= 229,5 Дж/(моль ∙ К).
следствием из закона Гесса:
=229,5–11,48–391,8 = 229,5 – 403,28 = –173,78
Пример 15. Рассчитать изменение энтропии при плавлении
3 моль уксусной кислоты, если температура плавления CH3COOH
16,6 ºС, а теплота плавления 194 Дж/г.
Решение: изменение энтропии при фазовом превращении равно
При определении изменения энтропии необходимо учесть массу вещества, претерпевшего фазовое превращение. Теплота плавления 3 моль (3∙60=180 г) CH3COOH будет равна:
ΔH = 180∙194=34920 дж/г.
Абсолютная температура плавления: 273+16,6=289,6 К. Тогда
изменение энтропии
Пример 16. Вычислить стандартное изменение энтропии Гиббса для химической реакции.
NH3(г) + HCl(г) = NH4Cl(к) по значениям стандартных теплот
образования и энтропии веществ, участвующих в реакции.
Решение: расчёт изменения энергии Гиббса в химической реакции при заданной температуре Т произведем по уравнению:
ΔG = ΔH – TΔS.
34
Расчет теплового эффекта химической реакции произведем на
0
гHClf
0
гNHf
0
кClNHf
0
.p.xf
HHHH
34
К
Дж
64,2847,1865,19256,94SSSS
0
HCl
0
гNH
0
кClNH
0
.p.x
34
.
К
Дж
08,9210)64,284(2989,176G
30
..
0
x.p.
0
px
STG
Вещество
ΔfH0, кДж/моль
S
0
298
Дж/(моль∙К)
Fe2O3(к)
–821,3
89,8
H2(г)0130,7
Fe(к)027,15
H2O(г)
–241,7
188
основании следствия из закона Гесса:
= –315,39 – (–46,19) – (–92,3) = –176,9 кДж.
Изменение энтропии
Тогда (Т=298 К)
ΔG<0, следовательно, в стандартных условиях протекание дан-
ной реакции возможно.
Пример 17. Установить, возможно ли при температурах 298 и
1000 К восстановление Fe2O3 до свободного металла по уравнению
Fe2O3(к) + 3H2(г) = 2Fe(к) + 3H2O(г)
при стандартных условиях. Зависимостью ΔH
туры пренебречь.
Решение: приведем значения ΔfH0 и S
и продуктов реакции.
0
и ΔS
x.p.
0
для исходных веществ
298
0
от темпера-
x.p.
.
Рассчитываем стандартные энтальпию и энтропию реакции:
0
ΔH
= 3 ∙ (–241,7) + 821,3 = 96,2 кДж.
x.p.
0
ΔS
= (2 ∙ 27,15 + 3 ∙ 188,8) – (89,8 + 3 ∙ 130,6) = (54,3 + 566,4)
x.p.
– (89,8 + 391,8) = 139,1 Дж/К.
Энергия Гиббса химической реакции равна
0
ΔG
x.p.
0
ΔG
x.p.
Для данной температуры ΔG
ление Fe2O3(к) водородом для получения свободного металла.
Рассчитываем ΔG
0
ΔG
x.p.
= ΔH
0
x.p.
–T ΔS
0
при 298 К.
x.p.
= 96,2 – 298 ∙ 139,1 ∙ 10-3 = 96,2 – 41,4518 = 54,75 кДж.
0
> 0, т.е. невозможно восстанов-
x.p.
0
при 1000 К.
x.p.
= 96,2 – 1000 ∙ 139,1 ∙ 10-3 = 96,2 – 139 = –42,8 кДж
35
Для данного процесса при Т=1000 К ΔG
)H2H(H4HH
0
OHf
0
CHf
0
Hf
0
COf
0
.p.x
2422
.S2SS4SS
0
гOH
0
CH
0
H
0
CO
0
.p.x
2422
.K942
1021,172
23,162
S
H
T
30
.p.x
0
.p.x
0
< 0, т.е. возможно вос-
x.p.
становление Fe2O3(к) водородом для получения свободного металла.
Пример 18. Определить стандартную энергию Гиббса реакции
CH4 + 2H2O(г) = CO2 + 4H2 при 298 К.
Возможно ли самопроизвольное течение реакции в прямом направлении? Определить температуру начала самопроизвольного процесса при стандартных условиях.
Решение: на основании справочных данных рассчитаем ΔH
ΔS
0
x.p.
и ΔG
0
x.p.
0
x.p.
=
= –396,3 + 40 – (–74,85) – 2(–241,84) = 162,23 кДж.
0
ΔH
>0, т.е. процесс эндотермический, т.е. энтальпийный фак-
тор не способствует самопроизвольному течению реакции.
гентов данная реакция в прямом направлении не протекает. Но так как
0
ΔG
тор процесса ТΔS.
возможен, воспользуемся уравнением:
x.p.
0
ΔS
= 231,6 + 4∙130,6 – 186,19 - 2∙188,8=172,21 Дж/К
x.p.
0
ΔG
= 162,23 – 298 ∙172,21 ∙ 10-3 = + 110,91 кДж.
x.p.
0
ΔG
>0, следовательно, при 298 К и стандартном состоянии реа-
x.p.
>0, то при увеличении температуры возрастает энтропийный фак-
x.p.
ΔS
0
>0.
x.p.
Для определения температуры, выше которой данный процесс
,
ΔG
0
= 0; ΔH
x.p.
0
x.p.
= T ΔS
0
;
x.p.
Таким образом, при Т> 942 К и стандартном состоянии реагентов реакция может протекать в прямом направлении.
Пример 19. Установить, возможно ли восстановление оксида
Fe(III) до свободного металла по уравнению:
Fe2O3(к) + 3H2(г) = 2Fe(к) + 3H2O (г)
36
При температуре 298 К и при начальных парциальных давлениях
.кДж75,54G;9,0P;5,1P
0
.p.xOHH
22
;
P
P
lnRTGG
3
H
3
OH
0
.p.x.p.x
2
2
.кДж3,13G;8,0P;5,0P
0
400NOON
242
),
P
P
ln(RTGG
42
2
ON
2
NO
0
400
400
;STHG
0
298
0
298
0
500
;кДж48,1140)3,92(402)84,241(2
)HH4(H2H2(H
0
O,298
0
гCl,298
0
гCl,298
0
гOH,298
0
298
2222
;К/Дж2,1282057,186422328,1882
)SS4(S2S2(S
0
O,298
0
гHCl,298
0
гCl,298
0
гOH,298
0
298
222
веществ
Решение: воспользуемся уравнением изотермы Вант-Гоффа:
ΔG
= 54,75 ∙ 103 + 8,314 ∙ 298 ln(0,93/1,53) = 54750 – 3792 = 50958 Дж
x.p.
= =50,958 кДж.
Т.к. ΔG> 0, то процесс невозможен.
Пример 20.Определить направление реакции для системыNa2O4(г) =
2NO2(г) при Т=400 К, если в начальном состоянии
Решение: необходимо определить знак ΔG
для заданных ус-
400
ловий:
ΔG
= –13300 + 8,31 ∙ 400 ln (0,82/0,5) = –13300 + 8,31 ∙ 400 ln 1,28 = –
400
12479 Дж. ΔG
< 0, следовательно, самопроизвольный процесс из за-
400
данного начального состояния возможен в сторону образования NO2,
т.е. в прямом направлении.
Пример 21. Вычислить константу равновесия Kp реакции при
Т=500 К:
4HCl(г) + O2(г) = 2H2O(г) + 2Cl2(г).
Решение: пренебрегая зависимостью ΔH0 и ΔS0 от температуры, оп-
ределим
0
ΔG
= –114480 – 500 ∙ (–128,2) = – 50380 Дж.
500
37
Тогда константа равновесия:
.10844,1eeK
5
500314,8
50382
RT
G
p
0
500
2
1
2
1
Пример 22. Рассчитать тепловой эффект реакции
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr.
Ответ: 1,844105.
Решение: на основании первого следствия закона Гесса тепло-
вой эффект реакции ∆Н
0
[∆H
ществ (Al)
f,298
(Cr2O3)
и (Сr)
(т)
+ ∆H
(т)
равны 0. Теплоты образования (Al2O3)
(т)
0
f,298
0
= [∆H
298
(Al)
0
(Al2O3)
f,298
]. Теплоты образования простых ве-
(т)
(т)
+ 2∆H
приложение.
Соответственно тепловой эффект реакции
0
∆Н
= –1675 – (–1141) = –1675 +1141 = –534 кДж.
298
Ответ: ∆Н
0
Пример 23. Реакция горения метана выражается термохимиче-
ским уравнением:
C2H
+ 3,5О
6(г)
= 2СО
2(г)
+ 3Н2О
2(г)
(ж)
0
; ∆Н
= –1559,94 кДж.
р
Вычислить: а) энтальпию образования этана, если известны теп-
лоты образования СО
2(г)
и Н2О
– приложение;
(ж)
б) энтальпию образования этана по теплотам сгорания:
C2H
; С
и Н
6(г)
(граф)
2(г)
.
Решение: а) рассчитаем энтальпию образования C2H6 по формуле:
∆Н
0
р
= [2∆H
0
∆H
f,298C2H6(г)
0
f,298СО2(г)
+ 3∆H
0
f,298Н2О(ж)
] – [∆H
0
f,298C2H6(г)
+ 3,5∆H
= 2∙(–393,51) + 3∙(–285,84) – (–1559,94) =
= –787,02 – 857,52 + 1559,94 = –84,6 кДж/моль;
б) составим термохимическое уравнение образования С2Н6 из
простых веществ, устойчивых при стандартных условиях:
0
(Сr)
f,298
и (Cr2O3)
(т)
= –534 кДж.
298
0
f,298О2(г)
] –
(т)
–
(т)
]
1) 2С
2) С2Н
3) С
4) Н
(граф)
(граф)
2(г)
6(г)
+
+ 3Н
+ 3
+ О
О
2(г)
О
2(г)
2(г)
= С2Н
= 2СО
2(г)
= СО
= Н2О
и уравнения реакции горения С, Н и С2Н6;
2(г)
(ж)
6(г)
+ 3Н2О
2(г)
0
; ∆Н
= 393,51 кДж/моль;
3
0
; ∆Н
= 285,84 кДж/моль.
4
(ж)
0
; ∆Н
= 1559,87 кДж/моль;
2
38
С термохимическими уравнениями обращаться как с алгебраи-
)()(SM
Sm
32
5
15625,0
4,46
моль
кДж
2
1
4,22
48,4
2,0
2,57
моль
кДж
ческими. Для получения уравнения реакции (1) нужно уравнение (3)
умножить на 2, уравнение (4) на 3, сложить полученные уравнения и
вычесть уравнение (2).
После проведения указанных математических преобразований получим:
∆Н
0
1
= 2∙∆Н
0
+ 3∆Н
3
0
4
0
- ∆Н
= 2∙(–393,51) +
2
+3∙(–285,84) – (–1559,94) = –84,67 кДж/моль
Ответ: –84,67 кДж/моль.
Пример 24. При сгорании 5 г серы с кислородом выделилось
46,4 кДж тепла. Вычислить стандартную энтальпию образования оксида серы (IV), сравнить со справочными значением.
Решение: запишем термохимическое уравнение реакции горе-
ния серы:
S
+ О
(т)
2(г)
Стандартная энтальпия образования ∆H
= SО
2(г)
; ∆Н
0
=?
р
0
относится к 1 моль
f,298
вещества из простых, устойчивых при стандартных условиях.
Вычислим η(S) =
пересчете на 1 моль S =∆H
Рассчитанная стандартная энтальпия образования SO
согласуется со справочными данными (∆H
0
f,298
=
= 0,15625 моль, следовательно, в
(SO2) =
= –296,96 кДж/моль.
0
= –296,9
f,298
2(г)
).
вполне
Ответ: –296,96 кДж/моль.
Пример 25. В реакции 4,48 л водорода с кислородом выделилось
57,2 кДж тепла. Определить энтальпию образования воды, сравнить с табличными данными. Указать агрегатные состояния воды в данном опыте.
Решение: Уравнение реакции поучения воды
0
=?
р
Вычислим ѵ(Н2) =
0
f,Н2О
–
=
∆H
Н
+
О
2(г)
2(г)
= 0,2 моль. В пересчете на один моль
= –286 кДж/моль.
→ Н2О; ∆Н
Эта величина вполне отвечает табличному значению и указыва-
ет, что она соответствует энтальпии образования Н2О
(ж)
.
Ответ: –286
.
39
Пример 26. Энтальпия образования СаО равна –635,5 кДж/моль.
2
1
2
1
2
1
Vm
HV )2(
4,22
448
)2(
)2(
BrM
Brm
160
500
5,0
)3,36(125,3
.2H2
ГГ2Г2Г4
COСOCH
]COH5,3CHH[]COH2)H(H2[H
)г(2
0
298,f)г(4
0
298,f)г(
0
298,f)г(2
0
298,f
0
.p.x
0
.p.x
H
Какое количество теплоты выделится при сгорании 200г кальция? Какое
количество теплоты выделится при сгорании 200г кальция?
Решение: термохимическое уравнение реакции образования СаО
Са
+
О
2(г)
→ СаО
(т)
(т)
0
; ∆Н
= –635,5 кДж.
р
При сгорании 1 моль Са выделяется 635,5 Дж, а при сгорании 5
моль Са – х.
0
∆Н
= –3177,5 кДж.
р
Ответ: –3177,5 кДж.
Пример 27. Энтальпия образования бромводорода равна –
36,3 кДж/моль. Какое количество тепла выделится при взаимодействии 2148 л Н2(н.у.) с 500 г брома?
Решение:
Н
+:
Br
2(г)
2(ж)
→ НBr
(г)
0
; ∆Н
= –36,3 кДж/моль.
р
Вычислим количества взятых веществ:
ѵ(Н2) =
ѵ(Br2) =
=
=
=
20 моль (избыток)
= 3,125 моль (недостаток)
По уравнению реакции =
0,5 моль Br2выделяют –36,3 кДж тепла,
а 3,125 моль Br2 ________х
0
∆Н
=
р
= –226,875 кДж.
Ответ: –226,875 кДж.
Пример 28. Рассчитать тепловой эффект химической реакции
при стандартных условиях
Решение: На основании следствия из закона Гесса:
= [2∙0 + 2∙(-110,5)]– [–74,85 + (–393,51)] =–221 + 468,36 = 247,36кДж/моль.
Ответ: 247,36 кДж/моль.
40
Пример 29. Вычислить энергию связи в молекуле НF.
2
1
2
1
2
3
0
.p.x
H
1675
8382
1675
8382
Решение: Величина Есв – энергия связи служит количественной
характеристикой устойчивости химической связи на атомы, образующие связь: А–В → А + В;
∆Нр – энергия разрыва связи. ∆Нр = Есв (для двухатомных молекул). Таким образом, Есв(HF) = ∆Нр(HF), т.е. следует произвести
расчет ∆Нр(HF).
НF(г) → Н(г) + F(г)
На основании первого следствия закона Гесса = ∆Н
0
[∆H
f,298(Нг
) +
∆H
0
f,298(Fг
)] – ∆Н
0
(НFг)
р
0
(НF) =
р
∆Н0НF(г) = –270,9 кДж/моль
С учетом величин Есв(F
0
∆H
f,298(Нг
)
Ecв(НF) = ∆Н
) и Есв(Н2)
(г)
0
∆H
∆H
0
(НFг) = 77,5 + 217,5 – (–270,9) = 565,9 Дж/моль
р
f,298(Нг
0
f,298(Fг
) =
) =
рассчитываем ∆H
(г)
Есв(Н2)
Есв(F2)
0
f,298(Fг
) и
Ответ: Ecв(НF) = 565,9 кДж/моль.
Пример 30. Вычислить количество и массу алюминия, количество и
объем кислорода (н.у.), участвовавшие в реакции, в которой выделилось
838 кДж тепла, если ∆H
0
(Al2O3) составляет– 1675,0 кДж/моль.
f,298
Решение: составим термохимическое уравнение реакции
2Al
+
(т)
О2→ Al2O
3(т)
;
=–1675,0 кДж/моль
При образовании 1 моль Al2O3выделяется 1675,0 кДж теплоты.
2 моль Al выделяют при реакции 1675 кДж теплоты
х моль Al_____________________838 кДж тепла
ѵ(Al)
прод
=
= 1 моль, тогда m(Al) =ѵ(Al)∙M(Al) = 1∙27 = 27 г.
По реакции 1,5 моль О2 выделяют 1675,0 кДж тепла
х моль О2 _________________838 кДж тепла
ѵ(О2) прод. =
= 0,75 моль
V(O2) прод. = ѵ(О2)∙Vm = 0,75∙22,4 = 16,8 л
Ответ: 1 моль и 27 г Al; 0,75 моль и 16,8 л О2.
Пример 31. Сколько теплоты выделится при разложении 108 г
глюкозы по реакции С6Н12О
0
∆H
f,298С6Н12О6(к)
= – 1273,0 кДж/моль.
= 2С2Н5ОН
6(к)
+ 2СО
(ж)
, если
2(г)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]