 |
Основы химической термодинамики и химического равновесия
|
|
|
|
Предмет и задачи химической термодинамики. Система, фаза, компонент, параметры. Функции состояния. Внутренняя энергия и энтальпия.
Закон Гесса как следствие первого начала термодинамики. Стандартные условия, Стандартная энтальпия образования. Следствие из закона Гесса. Термохимические расчеты. Температурная зависимость теплового эффекта реакции (закон Кирхгофа).
Второе начало термодинамики. Энтропия. Постулат Планка. Расчет энтропии. Условия самопроизвольного протекания химических реакций. Свободная и связанная энергии.
Константа равновесия. Равновесие в гомогенных и гетерогенных системах. Принцип подвижного равновесия Ле-Шателье.
Уравнения изотермы, изохоры и изобары химической реакции. Расчет констант равновесия.
Пример 1. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции: CH4(г) + CO2(г) = 2 CO(г) + 2 H2(г), если прореагировало 10 л метана.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 798 К (принять D ср = const).
Решение. а) Используя уравнение следствия из закона Гесса, запишем для заданной реакции:
D H °298 = (2. D H ° f 298 СО+ 2. D H ° f 298 Н2) – (D H ° f 298 СН4+ D H ° f 298 СО2),
в полученное соотношение подставим значения стандартных энтальпий образования компонентов реакции (см. приложение 2):
D H °298 = [2. (– 110) + 2. 0] – [(–75) + (–393)] = –248 кДж.
При окислении 1 моль CH4выделяется 248 кДж теплоты. При нормальных условиях объем 1 моль CH4составляет 22,4 л. Объем 1 моль CH4при стандартной температуре в соответствии с законом Гей-Люссака составит:
Используем пропорцию:
24,45 л CH4при окислении выделяют 248 кДж теплоты,
10 л CH4 ¾ х кДж теплоты,
х = 10. 248/24,45 = 101,43 кДж.
б) Направление протекания реакции определяется по величине стандартного изменения свободной энергии Гиббса (D G °798):
|
|
|
D G °798= D H °798– 798. D S °798,
или: D G °798= D H °298+ D с ° р. (798 – 298) – 798. [D S °298+ D с ° р ln (798 /298)].
Используя термодинамические данные из табл. 2, определим D S °298 и D с ° р:
D S °298 = (2. S °298 СО+ 2. S °298 Н2) – (S °298 СН4+ S °298 СО2) =
= (2. 198 + 2. 131) – (186 + 214) = 258 Дж/К = 0,258 к Дж/К,
D с °р = (2. с ° р СО+ 2. с ° р Н2) – (с ° р СН4+ с °рСО2) =
= (2. 29 + 2. 29) – (36 + 37) = 43 Дж/К = 0,043 к Дж/К.
Подставив найденные значения D H °298, D S °298и D с ° р в выражение для D G °798, получим:
D G °798= –248 + 0,043. 500 – 798. [0,258 + 0,043 ln(798 /298)] = – 466,2 кДж
Отрицательное значение D G °798показывает, что реакция пройдет в прямом направлении.
Индивидуальные задания
3.1. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
Fe3O4 (к)+ CO (г)= 3 FeO (к)+ CO2 (г),
если получено 150 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 500 К (принять D ср = const).
3.2. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
CuCl2 (к)+ H2O (г)= CuO (к)+ 2 HCl (г),
если получено 120 г CuO при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 200 К (принять D ср = const).
3.3. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
CS2 (ж)+ 3 O2 (г)= 2 SO2 (г)+ CO2 (г),
если получено 30 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 950 К (принять D ср = const).
3.4. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
S2 (г)+ 4 СO2 (г)= 2 SO2 (г)+ 4 CO2(г),
если получено 50 л CO при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 400 К (принять D ср = const).
3.5. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
SO2 (г)+ 2 H2S (г)= 3 S (ромб.)+ 2 H2O (ж),
если получено 16 г серы при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 110 К (принять D ср = const).
|
|
|
3.6. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
Fe3O4 (к)+ H2 (г)= 3 FeO (к)+ H2O (г),
если было израсходовано 20 л H2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 200 К (принять D ср = const).
3.7. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 HI (г)+ Cl2 (г)= 2 HCl (г)+ I2 (г),
если получено 5 л I2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 350 К (принять D ср = const).
3.8. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 PbS (к)+ 3 O2 (г)= 2 PbO (к)+ 2 SO2 (г),
если получено 15 л SO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 150 К (принять D ср = const).
3.9. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
3 Fe (к)+ 4 H2O (г)= Fe3O4 (к)+ 4 H2 (г),
если прореагировало 112 г Fe при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 1450 К (принять D ср = const).
3.10. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
3 NiO (к)+ 2 Al (к)= 3 Ni (к)+ Al2O3 (к),
если получено 118 г Ni при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 150 К (принять D ср = const).
3.11. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 V (к)+ 5 CaO (к)= V2O5 (к)+ 5 Ca (к),
если прореагировало 140 г CaO при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 1000 К (принять D ср = const).
3.12. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
Sb2S3 (к)+ 3 Fe (к)= 3 FeS (к)+ 2 Sb (к),
если получено 122 г Sb при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 420 К (принять D ср = const).
3.13. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 NH3 (г)+ 3 Cl2(г)= N2 (г)+ 6 HCl (г),
если получено 15 л N2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 790 К (принять D ср = const).
3.14. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 N2 (г)+ 6 H2O (г)= 4 NH3 (г)+ 3 O2 (г),
если получено 10 л NH3при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
|
|
|
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 520 К (принять D ср = const).
3.15. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
C2H4 (г)+ 3 O2 (г)= 2 CO2 (г) + 2 H2O (ж),
если получено 15 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 298 К (принять D ср = const).
3.16. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 CH3OH (г)+ 3 O2 (г)= 4 H2O (г)+ 2 CO2 (г),
если получено 60 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 250 К (принять D ср = const).
3.17. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
CO2(г)+ 4 H2(г)= CH4(г)+ 2 H2O (ж),
если прореагировало 50 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 1200 К (принять D ср = const).
3.18. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
4 HCl (г)+ O2 (г)= 2 Cl2 (г)+ 2 H2O (ж),
если получено 35 л Cl2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 900 К (принять D ср = const).
3.19. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
NH4NO3 (к)= N2O (г)+ 2 H2O (г),
если получено 10 л N2O при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 740 К (принять D ср = const).
3.20. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
Fe3O4 (к)+ CO (г)= 3 FeO (к)+ CO2(г),
если получено 100 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 800 К (принять D ср = const).
3.21. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
3 Fe2O3 (к)+ H2 (г)= 2 Fe3O4 (к)+ H2O (г),
если прореагировало 160 г Fe2O3при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 1500 К (принять D ср = const).
3.22. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 AgNO3 (к)= 2 Ag (к)+ 2 NO2 (г)+ O2 (г),
если получено 25 л O2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
|
|
|
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 580 К (принять D ср = const).
3.23. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
BaO (к)+ 2 NO2 (г)+ O2 (г) = Ba(NO3)2 (к),
если прореагировало 80 л O2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 1150 К (принять D ср = const).
3.24. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
FeO (к)+ CO (г)= Fe (к)+ CO2 (г),
если получено 40 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 680 К (принять D ср = const).
3.25. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
CaCO3 (к)= CaO (к)+ CO2 (г),
если получено 70 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 250 К (принять D ср = const).
3.26. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
CO (г)+ H2O (г)= CO2(г)+ H2 (г),
если получено 15 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 450 К (принять D ср = const).
3.27. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
C (графит)+ CO2 (г)= 2 CO (г),
если прореагировало 35 л CO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 590 К (принять D ср = const).
3.28. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 NO (г)+ O2 (г)= 2 NO2 (г),
если получено 90 л NO2при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 920 К (принять D ср = const).
3.29. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
Na2CO3 (к)+ C (графит)+ H2O (г)= 2 NaOH (к)+ 2 CO (г),
если получено 60 л CO при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 390 К (принять D ср = const).
3.30. а) Пользуясь справочными данными, рассчитать D H °298реакции:
2 Mg (к)+ CO2 (г)= 2 MgO (к)+ C (графит),
если получено 20 г MgO при Т = 298 К и стандартном состоянии компонентов реакции.
б) Определить направление протекания данной реакции при Т = 820 К (принять D ср = const).
|
|
|
