Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ЗАДАЧИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ МОДУЛЯ 2 ПО КУРСУ ХИМИИ
Методические указания
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 1 3
1
УДК 946.04 ББК 24.12 Э65
Авторы:
Л.Е. Слынько, В.И. Ермолаева, О.И. Романко, М.Б. Степанов
Рецензент Г.Н. Фадеев
Энергетика химических реакций. Задачи для защиты мо-
Э65 дуля 2 по курсу химии : метод. указания / [Л.Е. Слынько и др.]
— М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 18, [6] с. : ил. ISBN 978-5-7038-3661-3
Приведены типовые задачи по темам «Первый закон термодинамики», «Второй закон термодинамики», «Химическое равновесие», «Кинетика гомогенных и гетерогенных химических реакций», предназначенные для контроля знаний студентов по указанным темам модуля 2 курса химии в техническом университете.
Для студентов первого и второго курсов всех специальностей МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих химию по программе бакалавриата.
Рекомендовано Учебно-методической комиссией Научно-учеб- ного комплекса «Фундаментальные науки» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
УДК 946.04 ББК 24.12
ISBN 978-5-7038-3661-3 |
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 |
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Всвязи с переходом технических университетов на блочномодульную организацию учебного процесса с рейтинговой системой оценки знаний усилилась роль текущего контроля, проводимого для выяснения степени усвоения студентами отдельных тем пройденного материала.
Всеместре предусмотрено проведение двух-трех контрольных мероприятий, во время которых студент должен подтвердить свое умение решать расчетные и логические задачи.
Цель методических указаний — обеспечить единство требований преподавателя к студенту.
Достаточно большой набор вопросов и задач дает возможность преподавателю составить необходимое число вариантов с неповторяющимися задачами, что позволит объективно оценить уровень знаний студентов.
3
1.ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
ИХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Термодинамические данные, необходимые для решения задач этого раздела, приведены в приложении.
1.1.Первый закон термодинамики
Взадачах 1–24 вычислите стандартный тепловой эффект реакции при следующих видах ее проведения:
а) изобарном — r H2980 ; б) изохорном — rU2980
Номер |
Уравнение реакции |
|
задачи |
||
|
1H2O(г) + CO(г) = CO2(г) + H2(г)
2CH4(г) + H2O(г) = CO(г) + 3H2(г)
3Fe2O3(к)+Mg(к)=2Fe(к)+MgO(к)
4MnO(к) + H2(г) = Mn( к) + H2O(г)
6Fe3O4(к) + 4H2(г) = Fe(к) + 4H2O(г)
7S(к) + 2N2O(г) = SO2(г) + 2N2(г)
8H2S(г) + Cl2(г) = 2HCl(г) + S(к)
9 CO(г) + H2O(г) = CO2(г) + H2(г)
10Fe2O3(к) + 3CO(г) = 2Fe(к) +
+3CO2(г)
112PbS(к) + 3O2(г) = 2PbO(к) +
+2SO2(г)
12CaCO3(к) = CaO(к) + CO2(г)
Номер |
Уравнение реакции |
|
задачи |
||
|
13Fe(т) + H2O(г) = FeO(к) + H2(г)
142CO2(г) = 2CO(г) + O2(г)
15Fe2O3(к) + CO(г) = 2FeO(к) + CO2(г)
16PbO(к) + CO(г) = Pb(к) + CO2(г)
18FeO(к) + Mn(к) = MnO(к) + Fe(к)
192FeO(т) + Si(т) = 2Fe(т) + SiO2(т)
20FeO + C(графит) = Fe + CO
213Fe2O3(к) + H2(г) = 2Fe3O4(к) + + H2O(г)
22GeO2(к) + 2Cl2(г) + 2C(к) = = GeCl4(г) + 2CO(г)
23CH4(г) + H2O(г) = CO(г) + 3H2(г)
24WO3(г) + 3H2(г) = W(к) + 3H2O(г)
4
В задачах 25–34 по заданным термохимическим уравнениям рассчитайте стандартную энтальпию образования указанного вещества из простых веществ по уравнению
xЭ1 + yЭ2 = ЭxЭy
Номер |
|
|
0 |
|
|
задачи |
Термохимические уравнения реакций, r H298, i , |
кДж/моль |
Вещество |
||
25 |
(I) 4As(к) + 3O2(г) = 2As2O3(к); r HI0 |
= –1328; |
|
As2O5(к) |
|
(II) As2O3(к) + O2(г) = As2O5(к); r HII0 |
= –261 |
|
|||
|
|
|
|||
26 |
(I) 2As(к) + 3F2(г) = 2AsF3(г); r HI0 = –1842; |
|
AsF5(г) |
||
(II) AsF5(г) = AsF3(г) + F2(г); r HII0 |
= +317 |
|
|||
|
|
|
|||
27 |
(I) Zr(к) + ZrCl4(г) = 2ZrCl2(г); r HI0 |
= +215; |
|
ZrCl2(г) |
|
(II) Zr(к) + 2Cl2(г) = ZrCl4(г); r HI0 |
= +867 |
|
|||
|
|
|
|||
28 |
(I) CuCl2(к) + Cu(к) = 2CuCl(к); r HI0 |
= –56; |
|
CuCl(к) |
|
(II) Cu(к) + Cl2(к) = СuCl2(к); r HII0 |
= –216 |
|
|||
|
|
|
|||
29 |
(I) Ir(к) + 2S(г) = IrS2(т); r HI0 = –144; |
|
Ir2S3(к) |
||
(II) 2IrS2(к) = Ir2S3(к) + S(к); r HII0 |
= +43 |
|
|||
|
|
|
|||
30 |
(I) 2С(к) + O2(г) = 2СO(г); r HI0 = –220; |
|
COF2 |
||
(II) СO(г) + F2(г) = COF2(г); r HII0 |
= –525 |
|
|||
|
|
|
|||
31 |
(I) 2Сr(к) + 3F2(г) = 2СrF3(к); r HI0 |
= –2224; |
|
CrF2(к) |
|
(II) 2СrF3(к) + Cr(к) = 3CrF2(к); r HII0 |
= –38 |
|
|||
|
|
|
|||
32 |
(I) 2Pb(к) + O2(г) = 2PbO(к); r HI0 |
= –438; |
|
PbO2(к) |
|
(II) 2PbO2(к) = 2PbO(к) + O2(г); r HII0 |
= +116 |
|
|||
|
|
|
|||
33 |
(I) 2P(к) + 3Cl2(г) = 2PCl3(г); r H0I |
= –574; |
|
PCl5 |
|
(II) PCl5(г) = PCl3(г) + Cl2(г); r HII0 |
= +88 |
|
|||
|
|
|
|||
34 |
(I) 2ClF5(г) = Cl2F6(г) + 2F2(г); r HI0 = +152; |
|
Cl2F6 |
||
(II) Сl2(г) + 5F2(г) = 2ClF5(г); r HII0 |
= –478 |
|
|||
|
|
|
|||
5
1.2. Второй закон термодинамики. Химическое равновесие
Взадачах 35–45 рассчитайте стандартную энергию Гиббса
rG2980 при заданной температуре, укажите, в каком направлении
(прямом или обратном) реакция протекает самопроизвольно. Оцените вклад энтальпийного и энтропийного факторов в значение
rG2980 .
Номер |
Уравнение реакции |
Т, K |
|
задачи |
|||
|
|
||
|
|
|
|
35 |
2H2(г) + CO(г) ↔ CH3OH(ж) |
400 |
|
36 |
4HCl(г) + O2(г) ↔ 2H2O(г) + 2Cl2(г) |
700 |
|
37 |
2N2(г) + 6H2O(г) ↔ 4NH3(г) + 3O2(г) |
1300 |
|
38 |
4NO(г) + 6H2O(г) ↔ 4NH3(г) + 5O2(г) |
1000 |
|
39 |
2NO2(г) ↔ 2NO(г) + O2(г) |
700 |
|
40 |
N2O4(г) ↔ 2NO2(г) |
400 |
|
41 |
S2(г) + 4H2O(г) ↔ 2SO2(г) + 4H2(г) |
1000 |
|
42 |
S2(г) + 4CO2(г) ↔ 2SO2(г) + 4CO(г) |
900 |
|
43 |
2SO2(г) + O2(г) ↔ 2SO3(г) |
700 |
|
44 |
CO(г) + 3H2(г) ↔ CH4(г) + H2O(г) |
1000 |
|
45 |
4CO(г) +2SO2(г) ↔ S2(г) + 4CO2(г) |
900 |
В задачах 46–56 определите температуру, при которой равновероятно как прямое, так и обратное протекание реакции. Объясните, как нужно изменить температуру и давление, чтобы реакция протекала преимущественно в прямом направлении.
Номер |
Уравнение реакции |
|
задачи |
||
|
46FeO(к) + CO(г) ↔ Fe(к) + CO2(г)
47WO3(к) + 3H2(г) ↔ W(к) + 3H2O(г)
48NH4Cl(к) ↔ NH3(г) + HCl(г)
49Mg(OH)2(к) ↔ MgO(к) + H2O(г)
6
Номер |
Уравнение реакции |
|
задачи |
||
|
||
|
|
|
50 |
H2O(г) + C(графит) ↔ CO(г) + H2(г) |
|
51 |
PbO2(к) + C(графит) ↔ Pb(к)+ CO2(г) |
|
52 |
MnO2(к) + 2H2 ↔ Mn(к) + 2H2O(г) |
|
53 |
3Fe(к)+ 4H2O(г) ↔ Fe3O4(к) + 4H2(г) |
|
54 |
C6H6(г) + 3H2(г) ↔ C6H12(г) |
|
55 |
Ni(OH)2(к) ↔ NiO(к) + H2O(г) |
|
56 |
2CrCl3(к) ↔ 2CrCl2(к) + Cl2(г) |
В задачах 57–67 для газофазной реакции А + В ↔ D + F рассчитайте константу равновесия K 0p при заданной температуре и
равновесный состав системы при этой температуре, если известны значения rGT0 и начальные концентрации реагирующих веществ
С0.
Номер |
rGT0 , |
|
Начальные концентрации реагирующих |
|||
Т, K |
|
веществ, моль/л |
|
|||
задачи |
кДж/моль |
|
|
|||
|
С0,A |
С0,B |
С0,D |
С0,F |
||
|
|
|
||||
57 |
–20,8 |
1000 |
1,0 |
1,0 |
0,0 |
0,0 |
58 |
–12,5 |
500 |
1,0 |
1,0 |
0,02 |
0,02 |
59 |
–18,4 |
1300 |
2,0 |
1,0 |
0,0 |
0,0 |
60 |
–11,8 |
1250 |
2,0 |
2,0 |
0,05 |
0,05 |
61 |
–24,2 |
850 |
2,0 |
3,0 |
0,0 |
0,0 |
62 |
–19,5 |
970 |
1,8 |
2,0 |
0,0 |
0,0 |
63 |
–10,7 |
1500 |
2,5 |
3,0 |
0,04 |
0,04 |
64 |
–13,1 |
600 |
1,0 |
1,0 |
0,0 |
0,0 |
65 |
–21,2 |
1000 |
2,0 |
2,0 |
0,0 |
0,0 |
66 |
–8,9 |
800 |
1,0 |
1,0 |
0,01 |
0,01 |
67 |
–7,6 |
400 |
0,8 |
0,8 |
0,0 |
0,0 |
|
|
|
|
|
|
|
7
В задачах 68–91 рассчитайте стандартное изменение энергии Гиббса r GT0 и константу равновесия K0p при заданной темпера-
туре T. Укажите, в каком направлении протекает реакция при данной температуре, и обозначьте направление смещения равновесия при увеличении температуры. При обосновании выбора направления смещения равновесия используйте уравнение изобары химической реакции.
Номер |
Уравнение реакции |
Т, K |
|
задачи |
|||
|
|
||
68 |
4HCl(г) + O2(г) → 2H2O(г)+ 2Cl2(г) |
750 |
|
69 |
2N2(г) + 6H2O(г) → 4NH3(г) + 3O2(г) |
1300 |
|
70 |
4NO(г) + 6H2O(г) → 4NH3(г)+ 5O2(г) |
1000 |
|
71 |
2NO2(г) → 2NO(г) + O2(г) |
700 |
|
72 |
N2O4(г) → 2NO2(г) |
400 |
|
73 |
S2(г) + 4H2O(г) → 2SO2(г) + 4H2(г) |
1000 |
|
74 |
S2(г) + 4CO2(г) → 2SO2(г) + 4CO(г) |
900 |
|
75 |
2SO2(г) + O2(г) → 2SO3(г) |
700 |
|
76 |
CO2(г) + H2(г) → CO(г) + H2O(г) |
1200 |
|
77 |
SO2(г) + Cl2(г) → SO2Cl2(г) |
400 |
|
78 |
CO(г) + 3H2(г) → CH4(г) + H2O(г) |
1000 |
|
79 |
4CO(г) + SO2(г) → S2(г) + 4CO2(г) |
900 |
|
80 |
C2H5OH(г) → C2H4(г) + H2O(г) |
400 |
|
81 |
FeO(к) + CO(г) → Fe(к) + CO2(г) |
1000 |
|
82 |
WO3(к) + 3H2(г) → W(к) + 2H2O(г) |
2000 |
|
83 |
NH4Cl(к) → NH3 + HCl |
500 |
|
84 |
Mg(OH)2(к) → MgO(к) + H2O(г) |
500 |
|
85 |
H2O(г) + C(графит) → CO(г) + H2(г) |
1000 |
|
86 |
PbO2(к) + C(графит) → Pb(к) + CO2(г) |
1000 |
|
87 |
MnO2(к) + 2H2 → Mn(к) + 2H2O(г) |
1000 |
|
88 |
3Fe(к) + 4H2O(г) → Fe3O4(к) + 4H2(г) |
1000 |
|
89 |
C6H6(г) + 3H2(г) → C6H12(г) |
600 |
|
90 |
Ni(OH)2(к) → NiO(к) + H2O(г) |
500 |
|
91 |
2CrCl3(к) → 2CrCl2(к) + Cl2(г) |
500 |
8
В задачах 92–115 определите, при какой температуре в системе устанавливается химическое равновесие, укажите, используя уравнение изобары химической реакции, в каком направлении протекает реакция при температуре, отличающейся от равновесной в большую или меньшую сторону.
Номер |
Уравнение реакции |
|
задачи |
||
|
92CH4(г) + CO2(г) ↔ CH3COOH(ж)
932H2(г) + CO2(г) ↔ HCOH(ж) + H2O(ж)
94CO2(г) + H2(г) ↔ HCOOH(ж)
952SO2(г) + O2(г) ↔ 2SO3(г)
96CO(г) + 2H2(г) ↔ CH3OH(г)
97Ca(OH)2(к) ↔ CaO(к) + H2O(г)
98CaCO3(к) ↔ CaO(к) + CO2(г)
99NH4Cl(к) ↔ NH3(г) + HCl(г)
100H2(г) + Cl2(г) ↔ 2HCl(г)
101O2(г) ↔ 2O(г)
102CO2(г) + H2(г) ↔ CO(г) +H2O(г)
1032CO(г) + O2(г) ↔ 2CO2(г)
1042H2(г) + O2(г) ↔ 2H2O(г)
105N2(г) ↔ 2N(г)
1062NO(г) ↔ N2(г) + O2(г)
107CH4(г) + H2O(г) ↔ CO(г) + 3H2(г)
108CH4(г) + CO2(г) ↔ 2CO(г) + 2H2(г)
1092CH4(г) ↔ C2H2(г) + 3H2(г)
110F2(г) ↔ 2F(г)
111Cl2(г) ↔ 2Cl(г)
112HCl(г) ↔ H(г) + Cl(г)
113HF(г) ↔ H(г) + F(г)
1142HCl(г) + F2(г) ↔ 2HF(г) + Cl2(г)
115C2H6(г) ↔ C2H2(г) + 2H2(г)
9
В задачах 116–135 для гомогенной реакции А + В = С + D рассчитайте константу равновесия при температуре Т и равновесный состав системы при этой температуре, если известны значения энер-
гии Гиббса r GT0 и начальные концентрации исходных веществ С0 (концентрация продуктов в начальный момент равна нулю).
Номер |
|
rGT0 , |
С0, моль/л |
||
Т, K |
|
|
|||
|
|
||||
задачи |
кДж/моль |
А |
В |
||
|
|||||
|
|
|
|
|
|
116 |
400 |
– 14,1 |
1 |
1 |
|
117 |
800 |
– 13,8 |
1 |
2 |
|
118 |
400 |
– 7,5 |
1 |
1 |
|
119 |
800 |
– 6,7 |
1 |
2 |
|
120 |
600 |
– 6,0 |
1 |
1 |
|
121 |
1000 |
– 20,5 |
2 |
1 |
|
122 |
600 |
– 25,4 |
2 |
1 |
|
123 |
800 |
– 28,5 |
3 |
1 |
|
124 |
700 |
–1,6 |
1 |
1 |
|
125 |
1000 |
–18,5 |
3 |
1 |
|
126 |
800 |
–8,5 |
2 |
2 |
|
127 |
600 |
–9,2 |
1 |
2 |
|
128 |
400 |
–10,1 |
1 |
1 |
|
129 |
1000 |
–5,7 |
1 |
1 |
|
130 |
800 |
–3,6 |
1 |
1 |
|
131 |
600 |
–1,6 |
1 |
1 |
|
132 |
900 |
–23,0 |
2 |
1 |
|
133 |
500 |
–7,0 |
1 |
2 |
|
134 |
1100 |
–16,9 |
2 |
2 |
|
135 |
400 |
–12,6 |
1 |
3 |
|
Взадачах 136–155 для данной газофазной реакции А + В ↔ С +
+D рассчитайте температуру, при которой наступает равновесие. Определите равновесный состав системы при этой температуре
10
при указанных начальных концентрациях исходных веществ C0 (продукты реакции в начальный момент времени отсутствуют).
Номер |
Уравнение реакции |
|
задачи |
||
|
1362CH4(г) = C2H2(г) + 3H2(г)
1372CO(г) + O2(г) = 2CO2(г)
138SO2(г) + Cl2(г) = SO2Cl2(г)
139CH4(г) + CO2(г) = 2CO(г) + 2H2(г)
140Cl2(г) + 5F2(г) = 2ClF5(г)
141CO(г) + 2H2(г) = CH3OH(г)
1422H2S(г) + SO2(г) = 3S(к) + 2H2O(г)
143C2H2(г) + N2(г) = 2HCN(г)
1442ClF5(г) = Cl2F6(г) + 2F2(г)
145CO(г) + NO(г) = CO2(г) + ½N2(г)
146CH4(г) + CH3Cl(г) = C2H6(г) + HCl(г)
147PCl5(г) = PCl3(г) + Cl2(г)
148CO2(г) + H2(г) = HCOOH(г)
1492CF2Cl2(г) = C2F4(г) + 2Cl2(г)
150CO(г) + Cl2(г) = COCl2(г)
1512NO(г) + O2(г) = 2NO2(г)
152CO2(г) = CO(г) + ½O2 (г)
153C2H6(г) = C2H4(г) + H2(г)
154CCl4(г) + H2O(г) = COCl2(г) + 2HCl(г)
1552HCN(г) = C2H2(г) + N2(г)
С0, моль/л
АВ
0,5 |
— |
1 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
1 |
1 |
1 |
0,2 |
0,5 |
1 |
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
— |
0,5 |
0,5 |
1 |
1 |
0,5 |
— |
0,2 |
0,2 |
1 |
— |
1 |
1 |
1 |
0,5 |
0,2 |
— |
1 |
— |
1 |
1 |
0,5 |
— |
11