6. Тема "Энергетика химических процессов"

Вопросы энергетики химических процессов являются предметом изучения отдельного раздела химии, называемого химической термодинамикой. Основными задачами этого раздела являются определение тепловых эффектов химических реакций, возможности самопроизвольного их течения в заданных условиях, а также выявление наиболее рациональных условий, обеспечивающих эффективный ход процесса.

При изучении данной темы студент должен:

- ознакомиться с основными термодинамическими понятиями и величинами;

- понять сущность и практическую значимость первого закона термодинамики, закона Гесса, второго закона термодинамики;

- разобраться в практических расчетах изобарного теплового эффекта при стандартных условиях ∆Н⁰₂₉₈, изменения энтропии ∆S⁰₂₉₈ и энергии Гиббса ∆G⁰₂₉₈ для любой химической реакции;

- научиться на основе расчетов ∆Н, ∆S, ∆G судить о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции, а также возможности ее самопроизвольного протекания.

Задание для самостоятельной расчетной работы

1. Используя справочные данные таблицы №5 , определите изобарный тепловой эффект ∆Н⁰₂₉₈ химической реакции вашего варианта (таблица №4). Сделайте вывод о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции.

2. Определите изменение энтропии ∆S⁰₂₉₈ в ходе химической реакции, протекающей при стандартных условиях в идеальном газообразном состоянии. Объясните знак изменения ∆S⁰₂₉₈ в результате данной реакции.

3. Определите изменение энергии Гиббса ∆G⁰₂₉₈ в ходе химической реакции, используя справочные данные таблицы № 5. По знаку изменения энергии Гиббса ∆G⁰₂₉₈ сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания.

Таблица №4

№ Варианта	Химические реакции
1.	4NH3(г)+5О2(г)↔6Н2О(г)+4NO(г)
2.	CO(г)+3H2(г) ↔CH4(г)+H2O(г)
3.	4HCl(г)+О2(г) ↔2H2O(г)+Cl2(г)
4.	2CO(г)+3H2(г) ↔CH4(г)+CO2(г)
5.	2CH4(г)+О2(г) ↔2СO(г)+4H2(г)
6.	CH4(г)+2H2O(г) ↔CO2(г)+4H2(г)
7.	CH4(г)+H2O(г) ↔CO(г)+3H2(г)
8.	4NH3(г)+3О2(г) ↔6Н2О(г)+2N2(г)
9.	C2H4(г)+3О2(г) ↔2СO2(г)+2H2O(ж)
10.	4NH3(г)+5О2(г) ↔6Н2О(ж)+4NO(г)
11.	CH4(г)+О2(г) ↔2СO(г)+2H2O(г)
12.	CO(г)+H2O(ж) ↔CO(г)+H2(г)
13.	CH4(г)+СО2(г) ↔2СO(г)+2H2(г)
14.	CH4(г) ↔C2H2(г)+3H2(г)
15.	2CO(г)+3H2(г) ↔C2H2(г)+3H2O(ж)

Таблица №5

Вещество	Состояние	∆Н0298,	∆G0298,	S0298,
С2Н2	г	226,750	209,200	200,820
NO	г	90,370	86,690	210,200
С2Н4	г	52,280	68,173	219,450
NH3	г	-45,190	-16,647	192,500
CH4	г	-74,850	-50,830	186,190
СО	г	-110,520	-137,270	197,910
СО2	г	-393,510	-394,380	213,650
H2O	г	-241,830	-228,590	188,720
H2O	ж	-285,950	-237,190	69,940
N2	г	0,000	0,000	200,000
H2	г	0,000	0,000	130,590
О2	г	0,000	0,000	205,030
Cl2	г	0,000	0,000	222,950

7. ТЕМА "Кинетика химических реакций. Химическое равновесие"

Учение о кинетике химических процессов является одним из важных разделов химии, посвященных изучению скоростей химических реакций в зависимости от различных факторов (концентрации реагентов, температуры, давления, катализаторов и др.). При рассмотрении обратимых химических реакций с одинаковыми скоростями прямого и обратного процессов (состояние химического равновесия), большое значение имеет принцип смещения химического равновесия Ле Шателье.

При изучении данного раздела необходимо:

- выучить закон действующих масс, правило Вант-Гоффа, принцип Ле Шателье;

- уметь составлять выражения скоростей прямой и обратной реакции для любого химического процесса;

- знать, как влияют различные факторы: температура, давление, концентрация, наличие катализатора на скорость химических реакций и особенности действия катализаторов;

- уметь составлять выражение константы химического равновесия, грамотно использовать принцип Ле Шателье при определении смещения химического равновесия.

Пример: N₂ + 3H₂2NH₃ + Q

Скорость прямой реакции: =;

Скорость обратной реакции: =;

Константа равновесия: К_с =

При увеличении концентрации Н₂ равновесие сместится вправо, т.к. по правилу Ле Шателье преимущество получит та реакция, в ходе которой водород будет расходоваться, т.е. прямая.

При увеличении температуры равновесие сместится влево т.к. по правилу Ле Шателье преимущество получит та реакция, в ходе которой температура системы понижается, т.е. обратная реакции, идущая с поглощением теплоты.

При увеличении давления равновесие сместится вправо т.к. по правилу Ле Шателье преимущество получит та реакция, в ходе которой давление в системе понижается, т.е. прямая реакции, в ходе которой из 4 моль вещества образуется 2 моль вещества.

Задания для самостоятельной работы

Для каждой нижеприведенной реакции в соответствии с № варианта:

1) напишите кинетические уравнения скоростей прямой реакции, обратной реакции и выражение константы равновесия;

2) определите, в какую сторону сместится химическое равновесие при увеличении концентрации первого исходного вещества, повышении температуры и увеличении давления.

1) 2CO_(Г)+O_2(Г)↔2CO_2(Г) ∆H= -556,0 кДж

2) Fe₃O_4(К)+CO_(Г)↔3FeO_(К)+CO_2(Г) ∆H= 34,6 кДж

3) N_2(Г)+O_2(Г)↔2NO_(Г) ∆H= 180,0 кДж

4) C_{(графит)}+2N₂O_(Г)↔CO_2(Г)+N_2(Г) ∆H= -558,0 кДж

5) 4NH_3(Г)+5O_2(Г)↔4NO_(Г)+6H₂O_(Ж) ∆H= -1122,6 кДж

6) 2H_2(Г)+O_2(Г)↔2H₂O_(Г) ∆H= -483,6 кДж

7) CaCO_{3 (K)} ↔CaO _(K) +CO_{2 (Г)} ∆H= 179,0 кДж

8) CH_4(Г)+2O_2(Г)↔2H₂O_(Ж)+CO_2(Г) ∆H= -890,3 кДж

9) 2SO_2(Г)+O_2(Г)↔2SO_3(Г) ∆H= -198,0 кДж

10) 4NH_3(Г)+3O_2(Г)↔2N_2(Г)+6H₂O_(Ж) ∆H= -1530,0 кДж

11) C₂H₅OH_(Ж)+3O_2(Г)↔2H₂O_(Ж)+2CO_2(Г) ∆H= -1366,9 кДж

12) CO_(Г)+H₂O_(Ж)↔CO_2(Г)+H_2(Г) ∆H= 2,9 кДж

13) 4HCl_(Г)+O_2(Г)↔2H₂O_(Г)+2Cl_2(Г) ∆H= -114,4 кДж

14) PCl_5(Г)↔PCl_3(Г)+2Cl_2(Г) ∆H= 92,6 кДж

15) 2HI_(Г)↔H_2(Г)+I_2(Г) ∆H= 52,0 кДж