Химическое сродство.

При решении задач этого раздела см. таблицы 1 -3.

Для понимания и управления химическими процессами необходимо знать движущие силы этих процессов.

Одной из движущих сил является уменьшение энтальпии системы, т.е. экзотермический тепловой эффект реакции (ΔH<0).

Другой движущей силой является стремление частиц (атомов, ионов, молекул) к хаотическому движению. В итоге система стремится перейти из более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Мерой неупорядоченности состояния системы служит термодинамическая функция, получившая название энтропии S. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, полимеризация и т.п.) ведут к уменьшению энтропии.

Задача 1. На основании стандартных энтропий веществ (табл. 3), вычислите ΔS⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению CH_4(г)+CO_2(г)↔2CO_(г)+2H_2(г).

Решение: Энтропия является функцией состояния системы, т.е. изменение зависит только от начального и конечного состояний и не зависит от пути процесса:

ΔS⁰_х.р.=Σn_кон S⁰_кон – Σn_исх S⁰_исх.

Используя табличные данные:

S⁰₂₉₈(CH_4(г))=186,16 Дж/мольּК

S⁰₂₉₈(CO_(г))=197,91 Дж/мольּК

S⁰₂₉₈(CO_2(г))=213,65 Дж/мольּК

S⁰₂₉₈(H_2(г))=130,59 Дж/мольּК,

рассчитаем ΔS⁰₂₉₈ данной реакции: ΔS⁰_х.р.=(2S⁰(CO_(г))+2S⁰(H_2(г)))-(S⁰(CH_4(г))+S⁰(CO_2(г)))=(2ּ197.91+ 2ּ130.59)-(186.19+213,65)=257,16 Дж/ּК

Энтальпийный и энтропийный факторы характеризуют две противоположные тенденции процессов – стремление к объединению, порядку и стремление к разъединению, беспорядку. Взятые по отдельности, они не могут быть критериями возможности самопроизвольного протекания процессов. Эти два фактора объединяет функция, называемая энергией Гиббса (G): G=H-TS или ΔG=ΔH-TΔS.

Для самопроизвольно протекающих процессов ΔG<0, если ΔG>0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше ΔG, тем сильнее стремление процесса к протеканию и тем дальше он от состояния равновесия, при котором ΔG=0 и ΔH=TΔS.

Задача 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе Cl_2(г)+2HI_(г)=I_2(г)+2HCl_(г). Ответ обосновать расчетом.

Решение: Критерием направления протекания химической реакции, или мерой химического сродства, является убыль энергии Гиббса ΔG. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому ее изменение не зависит от пути процесса:

ΔG⁰_х.р.=Σn_кон ΔG⁰_кон – Σn_исх ΔG⁰_исх.

Находим табличные данные (табл.2) энергий Гиббса образования конечных и исходных веществ данной реакции:

ΔG⁰_f(HI_(г))=1.3 кДж/моль

ΔG⁰_f(HCl_(г))=-95.27 кДж/моль.

Для простых веществ ΔG⁰_f=0, т.е. ΔG⁰_f(Cl₂)=0 и ΔG⁰_f(I₂)=0.

ΔG⁰_х.р.=(ΔG⁰_f(I₂)+2ּΔG⁰_f(HCl))-(ΔG⁰_f(Cl₂)+2ּΔG⁰_f(HI))=(0+2ּ(-95.27))-(0+2ּ1.3)=-193.14 кДж.

Значение ΔG⁰₂₉₈<0 указывает на возможность самопроизвольного протекания процесса, т.е. реакция протекает в прямом направлении.

Задача 3. Вычислите ΔH⁰₂₉₈, ΔS⁰₂₉₈ и ΔG⁰_т реакции, протекающей по уравнению Fe₂O_3(к) + 3C_(к)=2Fe_(к)+3CO_(г).

Возможна ли эта реакция при 500 и 1000 К?

Решение:

ΔH⁰_х.р.= Σn_кон ΔH⁰_{f кон} – Σn_исх ΔH⁰_{f исх}.

ΔH⁰_f(Fe₂O_3(к))=-822.1 кДж/моль

ΔH⁰_f(С_(к))=0

ΔH⁰_f(Fe_(к))=0

ΔH⁰_f(СO_(г))=-110.52 кДж/моль

ΔH⁰_х.р.=(2ּΔH⁰_f(Fe)+3ּΔH⁰_f(СO))-(ΔH⁰_f(Fe₂O₃)+3ּΔH⁰_f(С))=(2ּ0+3(-110.52))-(-822.1+3ּ0)=490.54 кДж.

ΔS⁰_х.р.= Σn_кон S⁰_кон – Σn_исх S⁰_исх.

S⁰₂₉₈(Fe₂O_3(к))=89.96 Дж/мольּК

S⁰₂₉₈(С_(к))=5.69 Дж/мольּК

S⁰₂₉₈(Fe_(к))=27.2 Дж/мольּК

S⁰₂₉₈(СO_(г))=197.91 Дж/мольּК

ΔS⁰_х.р.=(2ּS⁰(Fe_(к))+3ּS⁰(СO_(к)))-(S⁰(Fe₂O_3(к))+3ּS⁰(С_(к)))=(2ּ27.2+3ּ197.91)-(3ּ89.96+3ּ5.69)=541.1 Дж/К=541.1ּ10^-3 кДж/К.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения ΔG⁰_т=ΔH⁰-T ΔS⁰

ΔG⁰₅₀₀=490.54-500ּ541.1ּ10^-3=219.99 кДж

ΔG⁰₁₀₀₀=490.54-1000ּ541.1ּ10^-3= –50.56 кДж.

Так как ΔG⁰₅₀₀>0, а ΔG⁰₁₀₀₀<0, то восстановление Fe₂O₃ возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

Таблица 2

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG⁰₂₉₈ некоторых веществ

Таблица 3

Стандартные абсолютные энтропии S⁰₂₉₈ некоторых веществ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Вычислите ΔG⁰₂₉₈ для следующих реакций:

а) 2NaF(к)+Cl₂(г)=2NaCl(к)+F₂(г)

б) PbO₂(к)+2Zn(к)=Pb(к)+2ZnO(к)

Можно ли получить фтор по реакции (а) и восстановить PbO₂ цинком по реакции (б). Ответ: +313,94 кДж, -417,4 кДж.

1. Рассчитайте при такой температуре наступит равновесие системы

4HCl(г)+O₂(г) 2H₂O(г)+2Cl₂(г); ΔH=-114,42 кДж?

Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем и при какой температуре? Ответ: 891 К.

1. Восстановление Fe₃O₄ оксидом углерода (II) идет по уравнению

Fe₃O₄(к)+CO(г)=3FeO(к)+CO₂(г)

Вычислите ΔG⁰₂₉₈ и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно ΔS⁰₂₉₈ в этом процессе? Ответ: +24.19 кДж; +31.34 Дж/(К).

1. Реакция горения ацетилена идет по уравнению

C₂H₂(г)+ O₂(г)=2CO₂(г)+H₂O(ж)

Вычислите ΔG⁰₂₉₈ и ΔS⁰₂₉₈. Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции. Ответ: -1235.15 кДж; -216.15 Дж/ּК.

1. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция

H₂(г)+CO₂(г)=CO(г)+ H₂O(ж); ΔH=-2.85 кДж.

Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите ΔG⁰₂₉₈ этой реакции. Ответ: +19.91 кДж.

1. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе

2NO(г)+O₂(г) 2NO₂(г)

Ответ мотивируйте, вычислив ΔG⁰₂₉₈ прямой реакции. Ответ: -69.70 кДж.

1. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ, вычислите ΔG⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

NH₃(г)+HCl(г)=NH₄Cl(к)

Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно? Ответ: -92.08 кДж.

1. Рассчитайте при какой температуре наступит равновесие системы

CO(г)+2H₂(г) CH₃OH(ж); ΔH=-128.05 кДж.

Ответ: ≈385.5 К.

1. Рассчитайте при какой температуре наступит равновесие системы

CH₄(г)+CO₂(г)=2CO(г)+2H₂(г); ΔH=+247.37 кДж.

Ответ: ≈961.9 К.

1. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите ΔG⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

4NH₃(г)+5O₂(г)=4NO(г)+6H₂O(г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -957.77 кДж.

1. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите ΔG⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

CO₂(г)+4H₂(г)=CH₄(г)+2H₂O(ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -130.89 кДж.

1. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите ΔG⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

CO(г)+3H₂(г)=CH₄(г)+H₂O(г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -142.16 кДж.

1. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите ΔG⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

C₂H₄(г)+3O₂(г)=2CO₂(г)+2H₂O(ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -1331.21 кДж.

1. Определите, при какой температуре начнется реакция восстановления Fe₃O₄, протекающая по уравнению:

Fe₃O₄(к)+CO(г)=3FeO(к)+CO₂(г); ΔH=+34.55 кДж.

Ответ: 1102.4 К.

1. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по уравнению:

PCl₅(г)= PCl₃(г)+Cl₂(г); ΔH=+92.59 кДж.

Ответ: 509 К.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: