4. Химическая термодинамика
Контрольные вопросы
1. Дайте определение термодинамической системы и ее параметров.
2. Дайте определение внутренней энергии системы как функции состояния.
3. Дайте формулировку первого закона термодинамики.
4. Объясните различие величин тепловых эффектов реакций, проведенных при постоянном объеме и постоянном давлении.
5. Дайте определение энтальпии как функции состояния и стандартной энтальпии образования вещества.
6. Дайте формулировку закона Гесса и следствий из этого закона.
7. Охарактеризуйте энтропию как функцию состояния, являющуюся мерой неупорядоченности системы.
8. Дайте формулировку второго и третьего законов термодинамики.
9. Охарактеризуйте энергию Гиббса, как критерий возможности протекания химической реакции.
10. Объясните влияние температуры на направление протекания химической реакции. Как рассчитать температуру, выше которой реакция идет самопроизвольно?
Примеры решения задач
Пример 1. Рассчитайте изменение энтальпии реакции взаимодействия оксида серы (IV) c кислородом при стандартных условиях. Укажите, экзо- или эндотермической является данная реакция.
Дано (из табл. 3): |
Решение: |
|
В-ва |
Ho f,298, кДж/моль |
2SO2(г) + O2(г)= 2SO3(г) |
SO2 |
-297 |
Ho2 98 реакц =Нo298 прод-Нo298 исходн |
O2 |
0 |
С учетом коэффициентов: |
SO3 |
-396 |
Нo298 реакции=2(-396)–[2(-297)+1(0)]=-198 (кДж) |
Найти: Ho298 реакции |
Ответ: Ho298 реакции = –198 кДж, реакция экзотермическая, т.к. Ho2980. |
|
Пример 2. При сгорании 3,2 г серы выделилось 27,9 кДж. Рассчитайте теплоту образования оксида серы (IV).
Дано: |
Решение: 3,2 г 29,7 кДж |
mсеры= 3,2 г |
S(к)+ O2(г) = SO2(г) + Q ; Q = -Hр |
Q =-29,7 кДж |
1 моль 1 моль х кДж |
Найти:Hof,298 (SO2) |
M(S) =32 г/моль |
Составим пропорцию:
Так как рассчитанный тепловой эффект реакции относится к образованию 1 моль SO2 из простых веществ в их устойчивых состояниях при стандартных условиях, то Hof,298(SO2)=-297 кДж/моль. |
|
3,2:32=29,7:х;
х=297(кДж).Ответ: Hof, 298(SO2)= -297 кДж/моль
Пример 3. Не производя расчетов, предскажите знак изменения энтропии системы при стандартных условиях для следующих процессов: 1)NH3(г)+HCl(г)=NH4Cl(к); 2) 2NH3(г)=N2(г)+3H2(г); 3)Ag+(р)+Cl-(р)=AgCl(к)
Решение. Прогноз без расчета Sреакции возможен в тех случаях, когда меняется объем системы. Так с уменьшением объема газообразных веществ или образованием кристаллических продуктов из газообразных или жидких веществ степень беспорядка уменьшается (S0).
1)Объем твердого продукта меньше объема исходных газов, т.е. упорядоченность системы возрастает, S0.
2) В реакцию вступают два объема газа, а образуется 4 объема. В результате объем системы увеличивается, и степень беспорядка возрастает, S0.
3) Ионы Ag+ и Cl- из раствора перешли в кристаллическое вещество, S0.
Пример 4. Теплота растворения хлорида бария BaCl2 равна 8,80 кДж/моль, а теплота растворения кристаллогидрата хлорида бария BaCl22H2O равна –20,53 кДж/моль. Вычислите теплоту гидратации при переходе BaCl2 в BaCl22H2O.
Дано: |
Решение: |
Qраств.(BaCl2)=8,80 кДж/моль |
Qраств.(BaCl2)= Qгидратации+ Qраств(BaCl22H2O) |
Qраств(BaCl22H2O)=-20,53 кДж/моль |
Q гидратации = Qраств.(BaCl2) - Qраств(BaCl22H2O) |
Найти: Qгидратации |
Qгидратации =8,80 –(-20,53)=29,33 (кДж/моль) |
Ответ: Qгидратации=29,33 кДж/моль.
Пример 5. Рассчитайте, возможно ли, протекание реакции восстановления оксида железа (II) водородом при температуре 25оС. Найдите температуру, выше которой указанная реакция может протекать самопроизвольно.
Дано (из таблицы 3): |
|||
Вещество |
Hof,298 кДж/моль |
So298 кДж/мольК |
Gof,298 кДж/моль |
FeO(т) |
-264,8 |
0,061 |
-244,3 |
H2O(ж) |
-241,8 |
0,190 |
-228,6 |
H2(г) |
0 |
0,130 |
0 |
Fe(к) |
0 |
0,027 |
0 |
Найти: Травновесия. |
|||
Решение:
FeO(к)+ H2(г)= Fe(к)+ H2O(г)
Go298 р= Gof298(прод) - Gof298 (исх.в-в)
Go298 р=-228,6–(-244,3)=15,7(кДж)
Из уравнения G=H-TS найдем Травн
При равновесии: G=0, H=TS, T=H/S
Ho298 р=-241,8-(-264,8)=23(кДж)
So298р=0,19+0,027-0,061-0,13=0,026(кДж/К)
Травн=23/0,026=884,6 К.
Ответ: при Т=298К данная реакция невозможна т.к. Go298 р 0. Самопроизвольное протекание прямого процесса возможно при Т884,6К.
Таблица1 .Термодинамические константы некоторых веществ
Вещество |
Hof,298, кДж/моль |
Gof,298, кДж/моль |
So298, Дж/мольК |
Ag (к) Ag+(р) AgCl (к) AgNO3 (к) Al (к) Al3+(р) Al(OH)3 (к) Al2O3 (к) Ba (к) Ba2+(р) BaCO3 (к) BaO (к) Ba(OH)2 (к) BaSO4 (к) C(графит, к) CH4 (г) C2H2 (г) C2H4 (г) C6H6 (ж) C2H5OH (ж) C6H12O6(глюкоза) CO (г) CO2 (г) CO32-(р) Ca (к) Ca2+(р) CaC2(к) CaCO3 (к) CaO (к) Ca(OH)2 (к) Ca3(PO4)2 Cl-(р) Cl2 (г) HCl (г) HCl (р) Cr(к) Cr2+(р) Cr3+(р) Cr2O3 (к) Cu(к) Cu+(р) Cu2+(р) CuO (к) F-(р) F2 (г) HF (г) HF(р) Fe (к) Fe2+(р) Fe3+(р) |
0 105,58 -127,1 -124,5 0 -530,0 -1315 -1670 0 -538,0 -1219 -558,1 -950 -1465,0 0 -74,86 226,8 52,3 82,9 -277,6 -1273,0 -110,5 -393,5 -676,3 0 -542,96 -62,8 -1206,9 -635,5 -986,6 -4123,6 -167,2 0 -91,8 -166,9 0 -139,0 -236,1 -999,98 0 71,55 66,99 -162 -331,7 0 -270,9 -320,08 0 -87,17 -46,39 |
0 77,12 -109,8 -33,6 0 -490,5 -1157 -1582 0 -561,0 -1139 -528,4 -886 -1353,0 0 -50,79 200,8 219,4 269,2 160,7 - -137,14 -394,38 -528,1 0 -553,0 -67,8 -1128,8 -604,3 -896,8 -3887,6 131,4 0 -94,79 -131,2 0 -183,4 -223,2 -1059 0 50,21 65,61 -129,4 -277,9 0 -272,8 -296,86 0 -78,96 -4,52 |
42,55 72,80 96,11 140,9 28,35 -301 70,1 50,92 67 9,6 112 70,3 124,0 132,0 5,74 186,19 209,2 68,1 129,7 -174,8 -919,5 197,54 213,68 -54,9 41,63 -55,2 70,5 92,9 39,7 76,1 236 56,54 222,9 186,8 56,5 23,6 41,9 -215,6 81,2 33,15 39,33 -92,8 42,63 -13,8 202,9 173,7 - 27,15 -130,96 -309,1 |
FeO (к) Fe2O3 (к) Fe3O4 (к) H+(р) H2 (г) KCl (к) KClO3 (к) Mg(к) Mg2+(р) MgO(к) MgCO3 N2 (г) NH3 (г) NH4+(р) NH4Cl (к) NO(г) NO2 (г) NO3-(р) Ni (к) Ni2+(р) NiO(к) O2 (г) OH-(р) H2O (г) H2O (ж) P(г) P (белый) P(к, черный) P(к, красный) P4 (г) PH3 (г) P4O10 (к) Pb (к) PbO (к) PbS (к) S (г) S(к, ромбическая) SO2 (г) SO3 (г) H2S(г) Zn (к) Zn2+(р) ZnO(к) ZnS (к) |
-264,8 -822,2 -1117,1 0 0 -435,9 -391,2 0 -467 -601,8 -1113 0 -46,19 -132,4 -134,2 90,25 33 -207,5 0 -53,2 -239,7 0 -230,19 -241,82 -285,83 314,64 0 -38,9 -17,6 58,9 5,44 -2984,0 0 -219,3 -100,4 273,0 0 -296,9 -396,1 -20,17 0 -153,74 -350,6 -205,4 |
-244,3 -740,3 -1014,2 0 0 -408,0 -289,9 0 -455,1 -569,6 -1029,3 0 16,71 -79,5 -203,2 86,58 51,5 -111,7 0 -45,59 -211,6 0 -157,42 -228,61 -237,24 -278,28 0 33,47 -11,9 24,5 13,39 -2697,8 0 -189,1 -98,8 232,4 0 -300,2 -370 -33,01 0 -147,26 -320,7 -200,7 |
60,75 87,4 146,2 0 130,52 82,56 142,97 32,7 138 26,0 199,9 65,7 192,6 114,4 95,8 210,6 240,2 147,3 29,9 -126,13 37,99 205,04 -10,86 188,72 70,08 163,1 41,1 22,7 22,8 279,9 210,1 228,8 64,8 66,2 91,2 167,7 31,9 248,1 256,4 205,6 41,63 -110,67 43,64 57,74 |