Задание к самостоятельной работе №2 «Химическая термодинамика. Химическое равновесие. Кинетика химических реакций.»

Задача 1.

• В вариантах (18-30) по заданным термохимическим уравнениям (табл. 3) рассчитайте стандартную энтальпию реакции образования указанного вещества  _f H ⁰₂₉₈ из простых веществ.

Таблица 3

№ п/п	Термохимические уравнения реакций  r H o , кДж	Вещество
25	(I) Ce(т) + O2(г) = CeO(т);  r H oI = - 1090 (II) 3CeO2(т) + Ce(т) = 2Ce2O3(т);  r H oII = - 332	Ce2O3

Изменение энтальпии химической реакции зависит только от начального и конечного состояний участвующих в реакции веществ и не зависит от промежуточных стадий, следовательно изменение энтальпии реакции :

2Сe_(т)+3/2O_2(г)=Ce₂O_{3 (т)}  _r H ^o₂₉₈

будет равно: утроенное третей реакции плюс вторую реакцию, и все это деленное на два, тогда:

 _r Н ^o₂₉₈=(3 _r Н^o_I + _r Н ^o_II)/2 = (-1090*3+(-332)) /2=-1801 кДж/ моль

Задача 2.

Используя данные табл. 8, и справочные данные

• в вариантах (25-30) рассчитайте стандартную энтропию (∆ ^S0) исходного вещества [Дж/(моль•К)], если известна стандартная энтропия реакции ( _rS ₀₂₉₈).

Таблица 8

№ п/п	Уравнения реакций	 r So , Дж/K
25	5KClO4(к) = 4KClO3(к) + KCl(к) + 4О2( г)	+871

_{5KClO4(к) = 4KClO3(к) + KCl(к) + 4О2( г)}

_{! я сменила коэффициенты в вашем уравнении реакции, т.к они были даны не правильно !}

Энтропия реакции равен сумме энтропий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтропий образования исходных веществ, следовательно:

 _r S⁰₂₉₈=4S⁰₂₉₈(KClO_3(k))+ S⁰₂₉₈(KCl_(k))+4S ⁰₂₉₈(O_2(г)))-5S⁰₂₉₈(KClO_{4 (k)})=871 Дж /K

Отсюда:

S ⁰₂₉₈ (KClO_{4 (k)})=( 4S⁰₂₉₈(KClO_3(k))+ S⁰₂₉₈(KCl_(k))+4S ⁰₂₉₈(O_2(г)))-  _r S⁰₂₉₈)/5

По справочным таблица определяем энтальпии образования веществ:

S ⁰₂₉₈(KClO_3(k))= 142,95 Дж/(моль*К)

S ⁰₂₉₈(KCl_(k))= 82,55 Дж/(моль*К)

S ⁰₂₉₈(O_2(г))= 205,04 Дж/(моль*К)

S ⁰₂₉₈ ((Al₂(SO₄)_{3 (т)})= (4*142,95+82,55+4*205,04-871)/5= 120,7 Дж/(моль*К)

Задача 3

• для заданной химической реакции (табл. 9) выпишите из справочника необходимую информацию для расчетов _rH⁰₂₉₈, _rS⁰₂₉₈, _rG⁰₂₉₈, а также температурные области существования исходных веществ и продуктов реакции.

Считая, что стандартные энтальпия и энтропия реакции не зависят от температуры (D_rС⁰_р = 0)

• определите:

• _rG⁰₂₉₈ реакции (двумя способами),

• область температур, в которой возможно самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении при стандартных состояниях и постройте график зависимости _rG⁰ = f(T) для заданного процесса;

• _rG⁰_Т,

• константу равновесия K_р (R = 8,31 Дж/моль*К) и K_C (R = 0,082 л*атм/моль*К), при заданной температуре T (табл.9)

• укажите, в каком направлении протекает реакция при заданной температуре T и направление смещения равновесия при увеличении T. При обосновании направления смещения равновесия используйте уравнение изобары Вант-Гоффа.

• используя уравнение изотермы Вант-Гоффа, рассчитайте _rG_Т при температуре T (для начального момента реакции), если исходные парциальные давления газов (P, табл. 9) в реакционной смеси соответственно равны P_A, P_B, P_C, P_D. Сравните полученный результат со стандартным значением энергии Гиббса _rG⁰_Т.

Таблица 9

№ п/п	Уравнение реакции	Т, К	P*10-4 Па
			А	B	C	D
25	2CrCl3(k)  2CrCl2(k) + Cl2(г)	500	-	-	-	0,5

! В предложенных справочниках я не нашла данных для CrCl2, поэтому взяла их с сайта www.xumuk.ru, но там нет данных по температурным областям существования!

2CrCl_3(k)  2CrCl_2(k) + Cl_2(г)

По справочным таблица определяем энтальпии образования Указанных в условии веществ:

 _f H ⁰₂₉₈ (CrCl_3(k))=-556,47кДж/моль

 _f H ⁰₂₉₈(CrCl_{2 (k)})= -395,34 кДж/моль

 _f H ⁰₂₉₈(Сl_2(г))= 0кДж/моль

S ⁰₂₉₈ (CrCl_3(k))=123,01 Дж/(моль*K)

S ⁰₂₉₈(CrCl_{2 (k)})= 115,65 Дж/(моль*K)

S ⁰₂₉₈(Сl_{2 (г)})= 222.98 Дж/(моль*K)

 _f G ⁰₂₉₈ (CrCl_3(k)=- 486,37кДж/моль

 _f G ⁰₂₉₈(CrCl_{2 (k)})= -356,34кДж/моль

 _f G ⁰₂₉₈(Сl_{2 (г)})= 0кДж/моль

Температурные области существования:

CrCl₃ - 298-1218

CrCl₂- -

Сl₂- 298-3000К

Рассчитаем энтальпию и энтропию данного процесса:

 _r H ⁰₂₉₈=  _f H ⁰₂₉₈ (Сl_{2 (г)})+2  _f H ⁰₂₉₈(CrCl_{2 (k)})- 2 _f H ⁰₂₉₈(CrCl_{3 (k)})= 322.26 кДж

 _r S ⁰₂₉₈= S ⁰₂₉₈ (Сl_{2 (г)})+ 2S ⁰₂₉₈(CrCl_{2 (k)})- 2S ⁰₂₉₈(CrCl_{3 (k)})= 208.26 Дж/к= 0,20826кДж/К

Изменение энергии Гиббса определяется по уравнению:

 _r G ⁰₂₉₈= _r H ⁰₂₉₈-T _r S ⁰₂₉₈=322.26-298*0,20826=260.19 кДж

Изменение энергии Гиббса возможно и другим способом:

 _r G⁰₂₉₈= _fG⁰₂₉₈ (Сl_{2 (г)})+2  _f G ⁰₂₉₈(CrCl_{2 (k)})- 2 _f G ⁰₂₉₈(CrCl_{3 (k)})=260.06 кДж

При данной температуре изменение энергии Гиббса больше нуля , следовательно реакция не будет самопроизвольно протекать в прямом направлении.

Определим температуру , когда данная система находится в состоянии химического равновесия.

Для состояния химического равновесия ( когда протекает и прямая и обратная реакции) характерно изменение энергии Гиббса равное нулю:

 _r G ⁰₂₉₈= _r H ⁰₂₉₈-T _r S ⁰₂₉₈=0

 _r G ⁰₂₉₈=322.26-Т*0.20826=0

Т=322.26/0.20826=1547 К

Т.о данная возможна при температурах выше 1547 К

Рассчитаем изменение энергии Гиббса при температуре 500 К( взята из таблицы) . Т.к по условию задания энтальпия и энтропия не зависят от температуры, то для расчета изменения Энергии Гиббса при 500К воспользуемся уравнением:

 _r G ⁰₄₀₀= _r H ⁰₂₉₈-T _r S ⁰₂₉₈=322.26-500*0.20826=218.13 кДж

Построим график зависимости _rG⁰ = f(T) для данного процесса :

Т.о данная реакция возможна при температурах выше 1547 К

Рассчитаем константу равновесия реакции, для этого воспользуемся уравнением:

 _r G ⁰₅₀₀=-2,3RTlgКр

Рассчитаем Кс:

Т.к при заданной температуре (500К) изменение энергии Гиббса больше нуля, то реакция самопроизвольно будет протекать в обратном направлении.

Согласно уравнению изобары Вант-Гоффа константа равновесия и температура связаны между собой:

Рассмотрим как влияет изменение температуры на константу равновесия. В правую часть уравнения входит тепловой эффект химической реакции, следовательно зависимость константы равновесия от температуры определяется знаком и величиной теплового эффекта. В нашем случае реакция является эндотермической  _r H ⁰₂₉₈>0 , тогда согласно уравнения изотермы Вант-Гоффа >0 и К увеличатся при увеличении температуры.

Запишем выражение изотермы Вант-Гоффа

Произведем расчеты:

Т.о полученный результат отличается от стандартных значений, т.к вещества взяты в других соотношениях.

Задача 4

В вариантах (15 - 23) для данной гомогенной реакции А + В Û С +D ( табл.11) определите температуру, при которой наступает равновесие. Температурной зависимостью D _r H ⁰ и D _r S ⁰ можно пренебречь. Рассчитайте равновесный состав системы при этой температуре, если известны начальные концентрации исходных веществ C₀ (продукты реакции в начальный момент времени отсутствуют).

Таблица 11

№ п/п	Уравнение реакции	С 0, моль/л
		А	В
25	CO (г) + NO (г) = CO2 (г) + ½ N 2 (г)	0,5	0,5

По справочным таблица определяем энтальпии образования Указанных в условии веществ:

 _f H ⁰₂₉₈ (N _{2 (г)})=0 кДж/моль

 _f H ⁰₂₉₈(CO _{2 (г)})= -393.51 кДж/моль

 _f H ⁰₂₉₈(CO _(г))=-110.53 кДж/моль

 _f H ⁰₂₉₈(NO _(г))= 91.26 кДж/моль

S ⁰₂₉₈ (NO _(г))= 210.67 Дж/(моль*K)

S ⁰₂₉₈(CO _{2 (г)})= 213.66 Дж/(моль*K)

S ⁰₂₉₈(CO _(г))= 197.55Дж/(моль*K)

S ⁰₂₉₈(N_{2 (г)})= 191.50 Дж/(K*моль)

Рассчитаем энтальпию и энтропию данного процесса:

 _r H ⁰₂₉₈=  _f H ⁰₂₉₈ (CO_{2 (г)})+1/2  _f H ⁰₂₉₈(N _{2 (г)})-  _f H ⁰₂₉₈(NO _(г))-  _f H ⁰₂₉₈(CО _(г)))= (-393.51)+1/2*0-91.26-( -110.53)=-374.26 кДж

 _r S ⁰₂₉₈= S ⁰₂₉₈ (CO_{2 (г)})+1/2 S ⁰₂₉₈(N _{2 (г)})- S ⁰₂₉₈(NO _(г))- S ⁰₂₉₈(CО _(г)))=322.5 Дж/к=0.3225кДж/К

Для состояния химического равновесия ( когда протекает и прямая и обратная реакции) характерно изменение энергии Гиббса равное нулю:

 _r G ⁰₂₉₈= _r H ⁰₂₉₈-T _r S ⁰₂₉₈=0

 _r G ⁰₂₉₈=-374.263-Т*0.3225=0

Т=-1160 К

Т.о. данная реакция возможна при любой температуре. Т.к. данная реакция возможна при любой температуре рассчитаем равновесный состав при 500К.

 _r G ⁰₅₀₀=-374.263-500*0.3225=-535,49

Рассчитаем константу равновесия при данной , для этого воспользуемся уравнением:

 _r G ⁰=-2,3RTlgКр

Рассчитаем Кс:

Запишем выражение константы равновесия для данной реакции:

CO _(г) + NO _(г) = CO_{2 (г)} + ½ N _{2 (г)}

Обозначим через х моль/л концентрацию СО вступившего в реакцию. Согласно уравнения реакции для получения 1 моль СО₂ и 1/2 мольN₂, необходимо израсходовать 1 моль СО и 1 моль NO, следовательно при реакции х моль/л СО выделится 0,5х моль/л N₂ и 1 моль СО₂, и израсходуется х моль NO, тогда:

Х≈0,5 моль/л