химия + методичка / kontr_z
..pdfиспользуя значения стандартных энтальпий образования веществ. Ответ: -204,7 кДж/моль.
151.Вычислить тепловой эффект реакции
,
используя значения стандартных энтальпий образования веществ.
Ответ: -234,48 кДж.
152. Вычислить тепловой эффект реакции горения бензола по уравнению
используя значения стандартных энтальпий образования веществ.
Ответ: -3169,38 кДж.
Химическое сродство
При решении задач этого раздела см. табл. 2-4. Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся
не только выделением, но и поглощением теплоты.
Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре происходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению Н; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая – с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.
Энтропия S, так же как внутренняя энергия , энтальпия Н, объем и др., является свойством вещества, пропорциональным его
41
количеству. обладают аддитивными свойствами, т.е. при соприкосновении систем суммируются. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п., ведут к уменьшению энтропии.
Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изменение зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути процесса:
Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка . Энтропия выражается в
Дж/(моль·К). Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку . При общую движущую силу про-
цесса, которую обозначают , можно найти из соотношения:
Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса.
Итак, мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса , которая зависит от природы вещества, его количества и от температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому:
42
Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и, в частности, в сторону уменьшения . Если , процесс принципиально осуществим, если G> 0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше , тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором
Из соотношения |
|
видно, |
что самопроизвольно |
|
могут протекать и процессы, для которых |
(эндотермические). |
|||
Это возможно, когда |
, |
но |
и тогда |
С |
другой стороны, экзотермические реакции |
|
самопроиз- |
||
вольно не протекают, если при |
окажется, что |
. |
Пример 1. В каком состоянии энтропия 1 моля вещества больше: в кристаллическом или в парообразном при той же температуре?
Решение. Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядоченно и могут лишь находиться в определенных точках пространства, а для газа таких ограничений нет. Объем 1 моля газа гораздо больше, чем объем 1 моля кристаллического вещества; возможность хаотичного движения молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моля паров вещества больше энтропии 1 моля его кристаллов при
одинаковой температуре. |
|
|
|
Таблица3. |
|||
|
|
|
|
|
|
||
Стандартная энергия Гиббса образования |
некоторых ве- |
||||||
ществ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вещество |
Состоя- |
G0298, |
Вещество |
Состояние |
|
G0298, |
|
|
ние |
кДж/моль |
|
|
|
кДж/моль |
|
BaCO3 |
К |
-1138,8 |
H2O |
Г |
|
-228,59 |
|
Al2O3 |
К |
-1582,0 |
PbO2 |
К |
|
-219,0 |
|
CaCO3 |
К |
-1128,75 |
NiO |
К |
|
-211,6 |
|
Fe3O4 |
К |
-1014,2 |
H2O2 |
Ж |
|
-207,9 |
|
BeCO3 |
К |
-944,75 |
PbO |
К |
|
-189,1 |
|
TiO2 |
К |
-888,6 |
CO |
Г |
|
-137,27 |
|
Fe2O3 |
К |
-740,3 |
CuO |
К |
|
-129,9 |
|
CaO |
К |
-604,2 |
HCl |
Г |
|
-95,2 |
|
BeO |
К |
-581,61 |
CH4 |
Г |
|
-50,79 |
|
BaO |
К |
-528,4 |
NO2 |
Г |
|
+51,84 |
|
|
|
|
43 |
|
|
|
|
CO2 |
Г |
-394,38 |
NO |
Г |
+86,69 |
NaCl |
К |
-384,03 |
C2H4 |
Г |
+68,1 |
ZnO |
К |
-318,2 |
N2O4 |
Г |
+98,4 |
FeO |
К |
-244,3 |
C2H2 |
Г |
+209,20 |
H20 |
Ж |
-237,19 |
NaF |
К |
-570,3 |
Пример 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе
Решение. Для ответа на вопрос следует вычислить |
пря- |
|
мой реакции. Значения |
соответствующих веществ приведены в |
табл.3. Зная, что есть функция состояния и что для простых
веществ, находящихся |
в устойчивых при стандартных условиях |
агрегатных состояниях, |
равны нулю, находим G процесса: |
То, что указывает на невозможность самопроизвольного протекания прямой реакции при Т=298 К и равенстве давлений взятых газов 1,013∙105 Па (760 мм рт.ст.=1 атм).
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
Абсолютные стандартные энтропии |
некоторых веществ |
||||
|
|
|
|
|
|
Вещество |
Состояние |
S0298, |
Вещество |
Состоя- |
S0298, |
|
|
Дж/(моль·К) |
|
ние |
Дж/(моль·К) |
C |
Алмаз |
2,44 |
H2O |
Г |
188,72 |
C |
Графит |
5,69 |
N2 |
Г |
191,49 |
Fe |
К |
27,2 |
NH3 |
Г |
192,50 |
Ti |
К |
30,7 |
CO |
Г |
197,91 |
S |
Ромб. |
31,9 |
C2H2 |
Г |
200,82 |
TiO2 |
К |
50,3 |
O2 |
Г |
205,03 |
FeO |
К |
54,0 |
H2S |
Г |
205,64 |
H2O |
Ж |
69,94 |
NO |
Г |
210,20 |
Fe2O3 |
К |
89,96 |
CO2 |
Г |
213,65 |
NH4Cl |
К |
94,5 |
C2H4 |
Г |
219,45 |
CH3OH |
Ж |
126,8 |
Cl2 |
Г |
222,95 |
H2 |
Г |
130,59 |
NO2 |
Г |
240,46 |
|
|
|
44 |
|
|
Fe3O4 |
К |
146,4 |
PCl3 |
Г |
311,66 |
CH4 |
Г |
186,19 |
PCl5 |
Г |
352,71 |
HCl |
Г |
186,68 |
|
|
|
Пример 3. На основании стандартных теплот образования (табл.2) и абсолютных стандартных энтропий веществ (табл. 4) вычислите G0298 реакции, протекающей по уравнению
Решение. - функции состояния, поэтому:
(1)
(2)
Пример 4. Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению:
|
. |
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изме- |
|
нение энтропии |
При какой температуре нач- |
нется восстановление ?
Решение. Вычисляем реакции:
45
Так как , то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия). Найдем температуру, при которой :
Следовательно, при температуре ≈696,5К начнется реакция восстановления . Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.
Пример 5. Вычислитe реакции по уравнению:
Возможна |
ли реакция |
восстановления |
углеродом при |
температуре 500 и 1000К? |
|
|
|
Решение. |
и |
. находим из соотношений (1) и (2) так |
же, как в примере 3:
Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения
46
Так как , а , восстановление углеродом возможно при 1000К и невозможно при 500К.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
153. Вычислите для следующих реакций:
Можно ли получить фтор по реакции (а) и восстановить по реакции (б)?
Ответ: +372,4 кДж; -417,4 кДж.
154. Восстановление оксидом углерода идет по уравнению:
Вычислите и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равна в этом процессе?
Ответ: +24,19кДж; +31,34 Дж/К.
155. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе:
?
Ответ мотивируйте, вычислив прямой реакции.
47
Ответ: -69,70 кДж.
156. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция:
Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите этой реакции.
Ответ: +19,91 кДж.
157. Реакция горения ацетилена идет по уравнению
Вычислите и . Объясните уменьшение энтропии в
результате этой реакции.
Ответ: -1235,15 кДж: -216,15 Дж/ К.
158. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ, вычислите реакции, протекающей по уравнению:
Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно?
Ответ: -92,08 кДж.
159.При какой температуре наступит равновесие системы:
160.При какой температуре наступит равновесие системы
Ответ: 961,9 К.
161. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите
реакции, протекающей по уравнению
48
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ:-957,77кДж 162. На основании стандартных теплот образования и
абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите реакции, протекающей по уравнению
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -130,89кДж
163. Вычислите реакции, протекающей по уравнению:
Возможна ли реакция восстановления водородом при
температурах 500 и 2000К?
Ответ:+96,61 кДж: 138,83 Дж/К; 27,2 кДж; -181,05 кДж.
164. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите
реакции, протекающей по уравнению
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?
Ответ:-1331,21 кДж
165. Вычислите реакции, протекающей по уравне-
нию
Возможна ли реакция восстановления углеродом при тем-
пературах 1000 и 3000К?
Ответ: +722,86 кДж: 364,84 Дж/К;+358,02 кДж: -371,66 кДж.
49
166. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите реакции, протекающей по уравнению:
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?
Ответ: -142,16 кДж.
167. Определите, при какой температуре начнется реакция восстановления , протекающая по уравнению:
Ответ: 1102,4 К.
168. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по уравнению:
Ответ: 509К.
169.Рассчитать значение реакции:
иустановить, в каком направлении она может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.
Ответ: -59,2 кДж.
170.Рассчитать значение реакции:
иустановить, в каком направлении она может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.
Oтвет: -3285,4 кДж.
171.Пользуясь справочными таблицами, рассчитать значение
реакции:
50