III. Энергетика химических процессов

III. Энергетика химических процессов

Типовые задачи и их решение

1. Рассчитать тепловой эффект реакции образования «водяного газа» (СО + Н₂): С_{(графит)} + Н₂О_(п) = СО_(г) + Н_2(г).  Записать данное термохимическое уравнение. Сделать вывод: реакция экзо- или эндотермическая? Стандартные энтальпии образования веществ приведены из таблицы 2, стр. 34:

 D_fН^о (298) СО_(г) = –110, 5 кДж/моль; D_fН^о (298) Н₂О_(п)  = –241, 83 кДж/моль;

D_fН^о (298) для простых веществ (Н₂, С) равны нулю.

Решение. Согласно следствию из закона Гесса изменение энтальпии химической реакции (тепловой эффект) будет равно:

 

DН^о (298) = D_fН^о (298) СО_(г) - D_fН^о (298) H₂O_(п) = –110, 5 – (–241, 8) = 131, 3 кДж.

 

Реакция – эндотермическая, происходит поглощение тепла, т. к. DН^о (298) > 0.

Термохимическое уравнение будет иметь вид:

C_{(графит)} + H₂O_(п) = CO_(г) + H_2(г); DН^о (298) = 131, 3 кДж.

         

2. Вычислить изменение энтропии реакции, рассмотренной в задаче 1.

         

Решение. C_{(графит)} + H₂O_(п) = CO_(г) + Н_2(г)

В таблице 3 (стр. 35) термодинамических величин находим абсолютные стандартные энтропии веществ:

S^о (298) С_{(графит)} = 5, 7 Дж/моль К; S^о (298) H₂O_(п) = 188, 7 Дж/моль К;

S^о (298) CO_(г)  = 197, 9 Дж/моль К; S^о (298) H_2(г) = 130, 6 Дж/моль К.

 

Используем следствие из закона Гесса:

DS^о (298) = [S^о (298) CO_(г) + S^о (298) H_2(г) ] - [S^о (298) C_{(графит)} + S^о (298) H₂O_(п)].

Подставляем значения и вычисляем:

DS^о (298) = (197, 9 + 130, 6) - (5, 7 + 188, 7) = 328, 5 - 194, 4 = 134, 1 Дж/К.

Энтропия реакции увеличивается.

3. Вычислить изменение изобарно-изотермического потенциала в реакции образования «водяного газа» (см. задачу 1) при температурах: 25, 1000, 1100 ^оС. Сделать вывод о возможности протекания процесса.

         

Решение. Возможность самопроизвольного протекания реакции определяется значением изменения энергии Гиббса. Используем данные, полученные в ранее решенных задачах:

- изменение энтальпии: DН^о (298) = 131, 3 кДж (см. задачу 1);

- изменение энтропии: DS^о (298) = 134, 1 Дж/К (см. задачу 2).

 

Определим значение DG^о при 25 ^оС (298 К), используя:

 

1) уравнение Гиббса:

                              DG^о (298) = DH^о (298) – T ∙ DS^о (298).

 

Подставим значения и вычислим:

DG^о (298) = 131, 3 – (298 ∙ 134, 1∙ 10^–3) = 131, 3 – 39, 96 = 91, 3 кДж.

 

Здесь введен множитель 10^–3 по той причине, что DH^о (298) выражен в [кДж], а DS^о (298) имеет размерность [Дж/К].

Вывод: реакция слева направо при 25^оС самопроизвольно протекать не может, поскольку DG^о (298) > О.

 

2) следствие из закона Гесса:

 

             DG^о (298) = [DfG^о (298) CO_(г) + DfG^о (298) H_2(г) ] – [DfG^о (298) H₂O_(п) +

+ DfG^о (298) C_{(графит)} ]

Подставим значения DfG^о (298) веществ из таблицы 3 (стр. 35) и вычислим:

DG^о (298) = –137, 1 – (–228, 6) = 91, 5 кДж.

 

Для простых веществ: DfG^о (298) H_2(г) и DfG^о (298) C_{(графит)} равны нулю.

 

На основании расчетов делаем вывод: реакция слева направо при 25^оС самопроизвольно протекать не может, поскольку DG^о (298) > О.

 

При 1000 ^оС (1273 К):

 

DG^о (1273) = 131, 3 – (1273 ∙ 134, 1∙ 10^–3) = 131, 3 – 170, 7 = –39, 4 кДж.

 

Поскольку при 1000 ^оС: DG^о < 0, то реакция становится возможной.

 

При 1100 ^оС (1373 К):

DG^о (1373) = 131, 3 – (1373 ∙ 134, 1∙ 10^–3) = 131, 3 – 184, 1 = –52, 8 кДж.

 

Меньшее значение D G ^о (1373) по сравнению с D G^о (1273) свидетельствует о смещении равновесия вправо, и эндотермическая реакция становится устойчивой, т. е. протекает самопроизвольно.

 

Таким образом, химическая термодинамика позволяет установить принципиальную возможность протекания химической реакции и решить вопрос об условиях ее равновесия.

Таблица 2

Стандартные энтальпии образования веществ

 

Вещество, cостояние	DfНо (298); кДж/моль	Вещество, Состояние	DfНо (298) кДж/моль
NО (г)	90, 2	Са3(РО4)2 (к)	–4137, 6
NО2 (г)	33, 0	С2Н4 (г)	52, 3
СаО (т)	–635, 5	Н2О (п)	–241, 8
Р2О5 (к)	–2984, 0	С2Н5ОН (г)	–235, 3
Са(ОН)2 (т)	–986, 2	Н2О (ж)	–285, 8
Fе2О3(к)	–822, 2	СО (г)	–110, 5
СО2 (г)	–393, 5	СН4 (г)	–74, 9
МgСО3 (к)	–1113, 0	МgО (к)	–601, 8
СаСО3 (к)	–1206, 9	NН3 (г)	–46, 2
NiCl2 (к)	–304, 2	НСl (г)	–91, 8
PdO (т)	–115, 5	NН4Сl (к)	–314, 2
(NH2)2CO(т)	–319, 2	NH4NO3 (т)	–365, 4
С2Н2 (г)	226, 8

Таблица 3

Абсолютные стандартные энтропии веществ

 

Вещество, состояние	Sо (298); Дж/моль∙ K	Вещество, coстояние	Sо (298); Дж/моль∙ K
N2 (г)	191, 5	H2 (г)	130, 5
NH3 (г)	192, 6	СO2 (г)	213, 7
СО (г)	197, 6	Н2О (ж)	70, 1
H2О (п)	188, 7	NН4Сl (к)	95, 8
НСl (г)	186, 8	NО (г)	210, 6
О2 (г)	205, 0	NO2 (г)	240, 2
Ni (к)	29, 9	NiCl2 (к)	98, 1
PdO (т)	38, 9	Pd (т)	37, 7
(NH2)2CO(т)	173, 8	NH4NO3 (т)	151, 0
СН4 (г)	186, 2	С2Н2 (г)	200, 8
С (графит)	5, 7	Fe2O3 (к)	87, 5
Fe (к)	27, 2	СН3ОН (г)	126, 8

 

 

Таблица 4

Стандартные энергии Гиббса образования веществ

 

Вещество, состояние	DfGо (298); кДж/моль	Вещество, cостояние	DfGо (298); кДж/моль
NО (г)	86, 6	ZnO (к)	–320, 7
NО2 (г)	51, 5	ВеСО3 (к)	–944, 7
СаО (к)	–604, 2	Fе(ОН)3 (к)	–699, 6
Fе(ОН)2 (к)	–479, 7	Сr2О3 (к)	–1059, 0
Аl2О3 (к)	–1582, 0	Н2О (ж)	–237, 2
ВеО (к)	–582, 0	СО (г)	–137, 1
СО2 (г)	–394, 4	CuO (к)	–129, 4
МgСО3 (к)	–1029, 3	МgО (к)	–569, 6
СаСО3 (к)	–1128, 8	HCl (г)	–94, 8
ZnCl2 (к)	–369, 4	WO3 (к)	–763, 9
СаС2 (т)	–67, 8	С2Н2 (г)	208, 4
Са(ОН)2 (т)	–896, 8	Н2О (п)	–228, 6

 

Контрольные задачи

     1. Пользуясь необходимыми термодинамическими величинами (таблица 2, стр. 34), определить: экзо- или эндотермической является данная реакция в стандартных условиях: 2NО_(г) + О_2(г) = 2NO_2(г). Записать данное термохимическое уравнение.

     2. Рассчитать тепловой эффект химической реакции: 3СаО_(к) + Р₂О_{5 (к)} = = Са₃(РО₄)_2(к), пользуясь необходимыми термодинамическими величинами (табл. 2, стр. 34). Записать данное термохимическое уравнение.

     3. Вычислить тепловой эффект реакции гидратации этилена с образованием этилового спирта (в стандартных условиях): С₂Н_4(г) + Н₂О_(п) =

= С₂Н₅ОН_(г), пользуясь необходимыми термодинамическими величинами (табл. 2, стр. 34). Записать данное термохимическое уравнение.

     4. Пользуясь термодинамическими величинами (табл. 2, стр. 34), рассчитать: сколько тепла выделится при гашении водой 500 кг негашеной извести СаО, содержащей 20% примесей (условия – стандартные)?

     5. При соединении 20 граммов алюминия с кислородом в стандартных условиях выделилось 609, 6 кДж. Определить стандартную энтальпию образования оксида алюминия D_fН^о (298). Записать данное термохимическое уравнение.

     6. Пользуясь стандартными энтальпиями образования веществ (табл. 2, стр. 34), вычислить тепловой эффект реакции: Fе₂О_3(т) + 3СО_(г) = 2Fе_(т) +

+ 3СО_2(г). Записать данное термохимическое уравнение.

     7. Пользуясь стандартными энтальпиями образования веществ (табл. 2, стр. 34), определить стандартные энтальпии сгорания веществ: а) СН_4(г),

б) С₂Н₅ОН_(г). При сгорании какого вещества: а) СН_4(г) или б) С₂Н₅ОН_(г) выделится больше энергии? Учесть, что при полном сгорании веществ образуются СО_2(г) и Н₂О_(ж).

     8. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением: 4NН_3(г) + 3О_2(г) = 2N_2(г) + 6Н₂О_(ж), DН^о (298) = –1530, 28 кДж. Вычислить стандартную энтальпию образования NН_3(г), если D_fН^о (298) H₂O_(ж) = –285, 8 кДж.

     9. Определить, каким способом легче получить медь в стандартных условиях: а) СuO_(т) + C_(т) = Cu_(т) + CO_(г); б) СuO_(т) + H_2(г) = Cu_(т) + H₂O_(ж)? Использовать для расчетов термодинамические величины из таблицы 4, стр. 35.

   10. Восстановление Fе₂О₃ водородом протекает по уравнению: Fе₂О_3(к) + + 3Н_2(г) = 2Fе_(к) + 3Н₂О_(п), DН^о (298) = +96, 6 кДж. Возможна ли эта реакция в стандартных условиях? Ответ подтвердить, рассчитав DS^о (298), используя данные табл. 3, стр. 35 и DG^о (298) реакции по уравнению Гиббса.

   11. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция: N_2(г) + 3Н_2(г) = 2NН_3(г), DН^о (298) = –92, 4 кДж? Ответ подтвердить необходимыми расчетами DS^о (298), используя данные табл. 3, стр. 35 и DG^о (298) реакции по уравнению Гиббса.

   12. Будет ли протекать реакция: ZnО_(к) + СО_(г) = Zn_(к) + СО_2(г) при стандартных условиях? Ответ дать на основаниии расчета DG^о (298) реакции, используя термодинамические величины из таблицы 4, стр. 35.

     13. Какая степень окисления: +2 или +3 более характерна для железа? Сделать вывод, вычислив DG^о (298) реакции, используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35): 4Fе(ОН)_2(к) + О_2(г) + 2Н₂О_(ж) = 4Fе(ОН)_3(к).

     14. Определить DН^о (298) и DG^о (298) реакций:  

а) МgСО_3(к) = МgО_(к) + СО_2(г); б) СаСО_3(к) = СаО_(к) + СО_2(г), используя термодинамические величины из таблиц 2 (стр. 34) и 4 (стр. 35). Сделать вывод: какой из карбонатов обладает большей термической устойчивостью?

     15. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция: Н_2(г) + СО_2(г)   = СО_(г)   + Н₂О_(ж), тепловой эффект которой равен DН^о (298) = –2, 85 кДж? Ответ подтвердить расчетами DS^о (298), используя термодинамические величины из таблицы 3 (стр. 35), и DG^о (298) реакции, используя уравнение Гиббса.

     16. Будет ли протекать в стандартных условиях реакция: 2NО_(г) +

+ О_2(г) =2NО_2(г)? Ответ мотивировать, вычислив DG^о (298) данной реакции, используя уравнение Гиббса. Для расчета DН^о (298) и DS^о (298) реакции использовать термодинамические величины из таблиц 2 (стр. 34) и 3 (стр. 35).

     17. Исходя из значений стандартных энтальпий образования (табл. 2, стр. 34) и абсолютных стандартных энтропий (табл. 3, стр. 35) соответствующих веществ, вычислить DG^о (298), используя уравнение Гиббса, реакции, протекающей по уравнению: NН_3(г) + НСl_(г) = NН₄Сl_(к). Будет ли данная реакция протекать самопроизвольна при стандартных условиях?

     18. Определить по уравнению Гиббса DG^о (298) реакции: 4NН_3(г) +

+ 5О_2(г) = 4NО_(г) + 6Н₂О_(п). Вычисления сделать, используя стандартные энтальпии образования D_fН^о (298) в табл. 2 (стр. 34) и абсолютные стандартные энтропии S^о (298) в табл. 3 (стр. 35) соответствующих веществ. Возможна ли эта реакция в стандартных условиях?

     19. Какой из карбонатов: ВеСО_3(к) или СаСО_3(к), можно получить по реакции взаимодействия соответствующих основных оксидов с диоксидом углерода (II) – СО₂? Сделать вывод, вычислив DG^о (298) реакций, используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35).

20. Определить DG^о (298) реакции: Сr₂О_3(к) + 2Аl_(к) = 2Сr_(к) + Аl₂О_3(к), используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35). Сделать вывод: будет ли протекать самопроизвольно данная реакция в стандартных условиях?

21. Определить возможность протекания реакции в стандартных условиях: Zn _(к) + 2HCl _(г) = ZnCl_{2 (к)}  + H_{2 (г)}, используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35). Сделать вывод на основании расчета DG^о (298) реакции.

     22. Определить возможность протекания реакции в стандартных условиях: Ni _(к)  + 2HCl _(г)  = NiCl_{2 (к)}  + H_{2 (г)}. Сделать вывод на основании расчета DG^о (298) реакции, используя уравнение Гиббса. Для расчета воспользоваться термодинамическими величинами из таблиц 2 (стр. 34) и 3 (стр. 35).

     23. Существует много способов получения металлов. Например,

а) карботермия: WO_{3 (к)}  + 3CO_(г) = W _(к)  + 3CO_{2 (г)} ;

б) металлотермия: WO_{3 (к)}  + 3Cа _(т) = W _(к)  + 3CаO _(к).

Определить: какой процесс будет легче протекать в стандартных условиях? Сделать вывод на основании расчета DG^о (298) реакции, используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35).

     24. Определить, возможна ли в стандартных условиях реакция получения палладиевой черни, которая применяется в качестве катализатора во многих химических процессах: PdO_(т) + CO_(г) = Pd _(т)  + CO_{2 (г)}? Сделать вывод на основании расчета DG^о (298) реакции, используя уравнение Гиббса. Для расчета использовать термодинамические величины из таблиц 2 (стр. 34) и 3 (стр. 35).

     25. Мочевина (NH₂)₂CO используется в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения и как добавка в корм животным. Определить, возможен ли процесс образования мочевины в стандартных условиях по реакции:

2NH_{3 (г)} + CO_{2 (г)}  = (NH₂)₂CO _(т)  + H₂O _(п)? Сделать вывод на основании расчета DG^о (298) реакции, используя уравнение Гиббса. Для расчета использовать термодинамические величины из таблиц 2 (стр. 34) и 3 (стр. 35).

     26. Нитрат аммония – NH₄NO₃ – ценное азотное удобрение. Рассчитать, возможен ли процесс получения данного удобрения в стандартных условиях по реакции: 2N_{2 (г)}  + 4H₂O _(п)  + O_{2 (г)}  = 2NH₄NO_{3 (т)}? Использовать уравнение Гиббса и термодинамические величины из таблиц 2 (стр. 34) и 3 (стр. 35).

     27. Ацетилен в смеси с кислородом используют для сварки и резки металлов (автогенная сварка; температура пламени достигает 3150 ^оС). Ацетилен получают различными способами. Например, а) действием воды на карбид кальция: СаС_{2 (т)}  + 2Н₂О _(ж)  = С₂Н_{2 (г)}  + Са(ОН)_{2 (т)}; б) пиролизом метана: 2СН_{4 (г)}  = С₂Н_{2 (г)} + 3Н_{2 (г)} . Рассчитать DG^о (298) реакций, используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35), и сделать вывод: возможны ли они в стандартных условиях?

     28. Одним из перспективных способов получения искусственного топлива является реакция: СО_{2 (г)}   + 4Н_{2 (г)}   = 2Н₂О_(п) + СН_{4 (г)}, DН^о (298) =

= 76, 8 кДж. Возможен ли данный процесс в стандартных условиях? Сделать вывод на основании расчета DS^о (298), используя термодинамические величины из таблицы 3 (стр. 35), и DG^о (298) реакции по уравнению Гиббса.

     29. Железо под воздействием внешней среды (Н₂О, О₂) ржавеет, т. е. подвергается коррозии. Определить, какое состояние для железа (Fe^o или Fe⁺³) является термодинамически более устойчивым? Сделать вывод на основании расчета DG^о (298) реакции: 4Fe _(к) + 3О_{2 (г)} + 6Н₂О _(п) = 4Fe(ОН)_3(к), используя термодинамические величины из таблицы 4 (стр. 35).

     30. Наиболее перспективным жидким топливом является метанол (метиловый спирт) – СН₃ОН. Определить, возможен ли процесс получения метанола в стандартных условиях по реакции: СО_(г)  + 2Н_{2 (г)} = СН₃ОН_(г),

DН^о (298) = –128, 1 кДж? Сделать вывод на основании расчета DS^о (298), используя термодинамические величины из таблицы 3 (стр. 35), и DG^о (298) реакции по уравнению Гиббса.

 

 

IV. Химическая кинетика и равновесие в гомогенных

и гетерогенных системах

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: