1.2. Теплота сгорания топлива.

Тепловой эффект реакции окисления кислородоэлементов, входящих в состав вещества, до образования высших оксидов называется теплотой образования этого вещества ΔН⁰сг. Расчет теплоты сгорания проводится с использованием закона Гесса. Например, теплота сгорания этанола при 298 К;

С₂Н₅ОН (ж) + 3О₂= 2СО₂+ 3Н₂О (г)

можно рассчитать по уравнению:

ΔН⁰сг С₂Н₅ОН = 2ΔН⁰СО₂+ 3ΔН⁰Н₂О – 2ΔН⁰С₂Н₅ОН

Подставляя данные ΔН⁰из приложения 1 получаем теплоту сгорания этанола:

ΔН⁰сг С₂Н₅ОН = 2(-393,5) + 3(-241,8)- (-277,7) = -1237,7 кДж/моль.

В технических расчетах используют удельную теплоту сгорания Q_т, которая равна количеству теплоты, выделяющейся при сгорании 1кг жидкого или твердого вещества и 1 м³ газообразного вещества до образования высших оксидов

Q_т= -ΔНсг * 1000/м или Qт = -ΔНсг * 1000/22,4,

где М- масса моля вещества

22,4 л – объем моля газа.

II. Энергия Гиббса и направленность химических реакций

Энергия Гиббса – критерий самопроизвольного протекания химических реакций

ΔG = ΔH - TΔS

ΔG- равно максимальной работе, которую может совершить система при равновесном проведении процесса в изобарно-изотермических условиях.

Химическая реакция возможна, если энергия Гиббса уменьшается, т.е. ΔG<0

Химическая реакция не может протекать самопроизвольно, если энергия Гиббса возрастает, т.е. ΔG>0. Реакция обратима, если ΔG=0

Примеры решения задач.

2.4. Задачи для самостоятельного решения

Пример 1. Что имеет большую энтропию: 1 моль кристаллического вещества или I моль его парой при той же температуре?

Решение: энтропия есть мера неупорядоченного состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) имеют упорядоченное расположение и могут находиться лишь в некоторых точках пространства, а для газа таких ограничений нет. 1 моль газа имеет гораздо больший объем, чем 1 моль кристалла, и возможность хаотичного движении молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия моля паров вещества больше энтропии моля его кристаллов при одинаковой температуре.

Пример 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе СН4 (г) + С02 (г) = 2СО (г) + 2Н2 (г)?

Решение: для ответа на поставленный вопрос следует вычислить ΔG°₂₉₈ прямой реакции соответствующих веществ даны в приложении

1. Зная, что ΔG есть функция состояния и что ΔG для простых веществ, находящихся в агрегатных состояниях, устойчивых при стандартных условиях, равны нулю, находим ΔG°₂₉₈процесса:

ΔG°₂₉₈= 2(-137,27) + 2(0) – (-50,79 – 394,38) = + 170,63 кДж.

То, что ΔG °₂₉₈ > 0, указывает на невозможность самопроизвольного протекания прямой реакции при Т = 298 К и равенстве давлений взятых газов 1*10⁵ПА.

Пример 3.На основании стандартных теплот образования (табл. 1) и абсолютных стандартных энтропии веществ(табл.3) вычислите ΔG°₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

СО (г) + H₂О (ж) = СО₂(г) + Н₂(г)

Решение: ΔG⁰= ΔH⁰- TΔS⁰; ΔH и ΔS — функции состояния, поэтому

ΔН⁰_х.р. = ∑ΔН⁰_прод. - ∑ΔН⁰_исх.

ΔS⁰_х.р. = ∑ΔS⁰_прод. - ∑ΔS⁰ _исх.

ΔН⁰_х.р.= (393,51 + 0) – (-110,52 – 285,84) = +2,85 кДж

ΔS⁰_х.р. = (213,65 + 130,59) – (197,91 + 69,94) = +76,39 = 0,07639 кДж/моль * град

ΔG⁰= +2,85 – 298 (0,07639) = -19,91 кДж.

Пример 4. Восстановление Fe₂O₃водородом протекает по уравнению

Fe₂O₃(к) + ЗН₂(г) == 2Fe(к) + ЗН₂О(г); ΔH = 96,61 кДж.

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии ΔS = 0,1387 кДж/моль*град? При какой температуре начнется восстановление Fe₂O_з?

Решение: вычисляем ΔG⁰реакции:

ΔG = ΔH - TΔS = 96,61 — 298 * 0,1387 = + 55,28 кДж..

Так как ΔG >0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия).

Найдем температуру, при которой ΔG = 0:

ΔH = TΔS; T = ΔH=96,61= 696,5 K.

ΔS 0,1387

Следовательно, при температуре 696,5 К начнется реакция восстановления Fe₂O₃. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.