Определение возможности протекания процесса по величине изменения энергии Гиббса.

Пример. Возможна ли следующая реакция в стандартных условиях:

t

SiО_{2 (к)} + 2NaОH _(p) = Na₂SiО_{3 (к)} + Н₂О _(ж)

если ΔG^о(SiО_{2 (к)}) = –803,75 кДж/моль; ΔG^о (Na₂SiО_{3 (к)})= –1427,8 кДж/моль;

ΔG^о (NaОH_(p)) = –419,5 кДж/моль; ΔG^о (Н₂О _(ж)) = –237,5 кДж/моль?

Можно ли выпаривать щелочь в стеклянном сосуде?

Решение. Изменение энергии Гиббса ΔG^о₂₉₈ реакции равно:

ΔG^о = ΣG^о_прод. – ΣG^о_исх.;

ΔG^о₂₉₈ = (–1427,8 – 237,5) – (–803,75 –419,5·2)= –22,55 кДж;

ΔG^о₂₉₈ = –22,55 кДж (т. е. ΔG<0), а следовательно, данная реакция возможна. Щелочь нельзя выпаривать в стеклянном сосуде, так как в состав стекла входит SiО₂.

Пример. Вычислить ΔG^о для реакции 2Н_{2 (г)}+О_{2 (г)} 2Н₂О_(г).

при 298, 500, 1000, 1500 К. Зависимостью ΔН^о и ΔS^o от температуры пренебречь. Построить график зависимости ΔG^о от температуры и найти по графику температуру, ниже которой указанная реакция в стандартных условиях может протекать самопроизвольно.

Решение. Согласно уравнению ΔG = ΔН – TΔS влияние температуры на ΔG определяется знаком и величиной ΔS. Если пренебречь влиянием Т на значения ΔН и ΔS, то приведённая зависимость ΔG =ƒ(T) является уравнением прямой, наклон которой определяется знаком ΔS. при ΔS>0 прямая идет вниз, при ΔS<0 – вверх.

Определим величину ΔН°₂₉₈ (исходные данные берем из табл.1)

∆Hº_p = Σ∆Hº_{обр.(прод.)} – Σ∆Hº_{обр.(исх..)}

ΔН°₂₉₈ = 2ΔН°_обр.(H₂O) – (2ΔН°_обр.(H₂) + 2ΔН°_обр.(O₂) = 2ΔН°_обр.(H₂O) =

=2(-241,84) = –483,68 (кДж) (на 2 моля H₂O)

ΔН°_обр.(Н₂О) = 0,5(–483,8) = –241,89 кДж/моль.<0

Следовательно, реакция экзотермическая.

Определим изменение энтропии данной реакции в стандартных условиях ΔS°₂₉₈ (исходные данные берем из табл.1)

ΔS^о = ΣS^о_прод. – ΣS^о_исх.:

ΔS°₂₉₈= 2S°_298.(H₂O) – [2S°_298.(H₂) + S° _298.(O₂)]= 2·188,74 – (2·130.6 + 205) =

–98,6(Дж/ К) = –0,0986(кДж/ К) < 0, ΔG =ƒ(T) прямая идет вверх.

Определим изменение энергии Гиббса ΔG°₂₉₈ в стандартных условиях (исходные данные берем из табл.1):

ΔG^о = ΣG^о_прод. – ΣG^о_исх.;

ΔG°₂₉₈ = 2ΔG°_298.(H₂O) – [2ΔG°₂₉₈(H₂) – ΔG°₂₉₈(O₂)] = 2(–228,8) = –457,6 кДж.

Отрицательная величина ΔG°₂₉₈ свидетельствует о том, что в стандартных условиях реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении.

ΔG°₂₉₈ = ΔН°₂₉₈ – 298·ΔS⁰₂₉₈ = –483,68 – 298·(–0,0986) = –457,6кДж

ΔG°₅₀₀ = ΔН°₂₉₈ – 500·ΔS⁰₂₉₈ = –483,68 – 500·(–0,0986) = –434,38кДж

ΔG°₁₀₀₀ = ΔН°₂₉₈ – 1000·ΔS⁰₂₉₈ = –483,68 – 1000·(–0,0986) = –385,08кДж

ΔG°₁₅₀₀ = ΔН°₂₉₈ – 1500·ΔS⁰₂₉₈ = –483,68 – I500·(–0,0986) = –335,78 кДж

Построим график ΔG°_Т =f(Т):

ΔG°_Т

Температура перехода ~4500 К

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ И ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

РЕКОМЕНДАЦИИ:

1. Внимательно изучить теоретический материал, используя конспекты лекций, данное учебное пособие и рекомендуемую литературу.

2. Проверить усвоение теории, ответив на контрольные вопросы, выполнив тестовые задания.

3. Разобрать примеры решения типовых задач.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Задачи

1. Вычислите стандартную теплоту образования бензола С₆Н_{6 (ж)}, если известны теплоты сгорания водорода, углерода и бензола.

2. Определите стандартную теплоту образования сероуглерода CS₂, если известно, что

CS_{2 (ж)} + 3О₂ = СО_{2 (г)} + 2SО_{2 (г)} ΔН^о₂₉₈ = –1075 кДж/моль.

3. Вычислите ΔН^о₂₉₈ хлорида аммония, если для реакции

NH_{3 (г)} + НС1_(г) = NH₄CI _(к)

ΔН^о₂₉₈ = –176,93 кДж/моль.

4. Определите ΔН^о₂₉₈ BiCl_3(к), если ΔН^о₂₉₈BiCl_3(г) = –270,70 кДж/моль, а ΔН^о возгонки BiCl_3(к) 113,39 кДж/моль.

5. При взаимодействии 5 г металлического натрия с водой выделяется 40,25 кДж теплоты, а при взаимодействии 10 г оксида натрия с водой выделяется

36,46 кДж теплоты. Рассчитайте ΔН^о₂₉₈ Na₂0.

6. При растворении 16 г СаС₂ в воде выделяется 31,3 кДж теплоты. Определите стандартную теплоту образования Са(ОН)₂.

7. Определите ΔН^о₂₉₈ Fe₂О₃, если при реакции

2Fe + А1₂О₃ = Fe₂О₃+ 2A1

на каждые 80 г Fe₂О₃ поглощается 426,5 кДж теплоты.

8. Тепловой эффект реакции

SО_2(г) + 2H₂S_(г) = 3S_(ромб) + 2Н₂О_(ж)

равен –234,50 кДж. Определите стандартную теплоту образования H₂S.

9. Окисление аммиака протекает по уравнению

4NH_{3 (г)} + 3О_{2 (г)} = 2N₂ + 6Н₂0_(ж) ΔН^о₂₉₈ = –1528 кДж.

Определите стандартную теплоту образования NH_3(г) и NH₄ОH, если теплота растворения NH_3(г) в воде равна –34,65 кДж.

10. Вычислите стандартную теплоту образования сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁, если тепловой эффект реакции

С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12О₂ = 12СО₂ + 11Н₂О_(ж)

равен –5694 кДж.

11. Рассчитайте ΔН^о₂₉₈ ZnSО₄, если известно, что

2ZnS + 3О₂ = 2ZnО + 2SО₂ ΔН^о = –890,0 кДж;

2SО₂ + О₂ = 2SО₃ ΔН^о = –196,6 кДж;

ZnSО₄ = ZnO + SО₄ ΔН^о = +234,0 кДж.

12. Восстановление диоксида свинца водородом протекает по уравнению

РbО₂ + Н₂ = РbО + Н₂О_(г) ΔН^о = –182,8 кДж.

Определите стандартную теплоту образования РbО₂.

13. Вычислите стандартную теплоту образования бензойной кислоты С₆Н₅СООН_(к), если стандартная теплота сгорания бензойной кислоты равна

–3227,54 кДж/моль, а стандартные теплоты образования Н₂О и СО₂ см. в табл. 1 приложения.

14. Вычислите теплоту образования карбида кальция CaC₂, исходя из теплового эффекта реакции

CaО + 3С = CaC₂ + CО; ΔН^о = 460,0 кДж.

15.Определите ΔН^о₂₉₈ образования этилена, используя следующие данные:

C₂H_{4 (г)} + 3O_{2 (г)} = 2CO_{2 (г)} + 2H₂O_(г), ΔН^о = –1323 кДж;

C_{(графит)} + O_{2 (г)} = CO_{2 (г)} ΔН^о = –393,5 кДж;

H_2(г) + ½ O_2(г)=H₂O_(г); ΔН^о = –241,8 кДж

16. Вычислите ΔН^о реакций. Укажите, какая из них является эндотермической, а какая экзотермической. Тепловой эффект каких реакций представляет собой теплоту сгорания вещества?

а) 4NH3 (г)+5O2 (г)→4NO(г)+6H2O(г);	к) 2H2S(г)+SO2(г)→3S(ромб)+2H2O(ж);
б) 4NH3 (г)+3O2 (г)→2N2 (г)+6H2O(г);	л) 2H2(г)+P4(т)→4PH3(г);
в) Fe2O3 (к)+3CO(г)→2Fe(к)+3CO2 (г);	м) 3Fe(т)+2O2(г)→Fe2O3(к);
г) CH4 (г)+2O2 (г)→CO2 (г)+H2O(ж);	н) 2C2H2 (г)+5О2 (г)→4CO2 (г)+2H2O(г);
д) 2Mg(к)+CO2 (г)→2MgO(к)+C(графит);	п) 4HF(г)+Br2 (ж)→2HBr(ж)+F2 (г);
е) 2Сl2 (г)+H2O(г)→4HCl(г)+O2 (г);	р) CaO(к)+CO2 (г)→CaCO3 (к);
ж) 3CH4 (г)+CO2 (г)+H2O(ж)→4CO(г)+8H2 (г);	с) 4СО(г) + 2SO2 (г)→4СО2 (г) + S2 (г).
и) CaO(к)+SiO2(к)→CaSiO3 (к);

Как необходимо было бы записать уравнения некоторых реакций (каких?), чтобы теплота этих реакций могла бы быть названа теплотой сгорания?

17. Вычислите тепловой эффект реакции

АI₂O_{3 (к)} + 3SO_{3 (г)} = Al₂(S0₄)_{3 (к)},

если известны стандартные теплоты образования реагирующих веществ.

18. Зная стандартные теплоты сгорания этана, метана и водорода (см. табл. 2 приложения), определите ΔН^о реакции:

С₂Н_{6 (г)} + Н_{2 (г)} = 2СН_{4 (г)}

19. Используя значение ΔН^о₂₉₈ реагирующих веществ, определите тепловой эффект реакции восстановления оксидом углерода оксида свинца (IV) до оксида свинца (II) с образованием диоксида углерода.

20. По стандартным теплотам сгорания веществ рассчитайте ΔН^о₂₉₈ системы

С₂Н₅ОН _(ж) + СH₃СООН _(ж) = СН₃СООС₂Н_{5 (ж)} + Н₂O

ΔН^о_сгор..сн₃соос₂н₅ = –2254,21 кДж/моль.

Конечные продукты сгорания – газообразный СО₂ и жидкая Н₂О.

21. Определите тепловой эффект реакции

NaH _(к) + Н₂О _(ж) = NaOH _(p) + Н_{2 (г)}

по стандартным теплотам образования веществ, участвующих в реакции, если ΔН^о _{NaH (к)} = –56,94 кДж/моль, ΔН^о _{NaОН (р)} = –469,47 кДж/моль.

22. Определите тепловой эффект реакции

2PbS +3О₂ = 2РbO + 2SО₂ ,

используя значение стандартных теплот образования реагирующих, веществ.

23 Вычислите теплоту перехода графита в алмаз, если при образовании

одного моля СО₂ из графита выделяется 393,5 кДж/моль, а из алмаза – 395,4 кДж/моль.

24. Исходя из реакций

КСIО₃ = КС1 + ½О₂; ΔН^о = –49,4 кДж/моль,

KCIО₄ = КС1 + 2О₂; ΔН^о = 33 кДж/моль,

вычислите ΔН^о реакции

4KСIО₃ = 3KCIО₄ + КС1

25. Теплоты сгорания этана С₂Н₆ и этилена С₂Н₄ соответственно составляют –1560 и

–1411 кДж/моль. Вычислите ΔН^о₂₉₈ реакции гидрирования этилена

С₂Н₄ + Н₂ = С₂Н₆

26. Теплоты сгорания бензола (г) и ацетилена соответственно составляют –3268 и

–1301 кДж/моль. Вычислите ΔН^о₂₉₈ реакции 3С₂Н_{2 (г)} = С₆Н_{6 (г)}

27. Теплота сгорания этилового спирта составляет –1409 кДж/моль. Вычислите ΔН^о₂₉₈ реакции

2СО + 4Н₂ = С₂Н₅ОН + Н₂О_(ж)

28. Вычислите ΔН^о₂₉₈ реакции:

а) 2Li _(к) + 2H₂O _(ж) = 2Li⁺_(водн.) + 2ОН^–_(водн.) + Н_{2 (г)};

б) 2Nа _(к) + 2H₂O _(ж) = 2Nа⁺_(водн.) + 2ОН^–_(водн.) + Н_{2 (г)};

Стандартные энтальпии образования Li⁺_(водн.), Nа⁺_(водн.), ОН^–_(водн.) принять соответственно равными –278,5, – 239,7 и –228,9 кДж/моль.

29. Исходя из ΔН^о₂₉₈ образования H₂O _(г) и следующих данных:

FeO _(к) + CO _(г) = Fe_(к) + СО_{2 (г)} ΔН^о₂₉₈ = –18,2 кДж;

2CO _(г) + О₂ = 2СО_{2 (г)} ΔН^о₂₉₈ = –566,0 кДж;

вычислить ΔН^о₂₉₈ реакции

FeO _(к) + H_{2 (г)} = Fe _(к) + H₂O _(г) .

30. Определить ΔН^о₂₉₈ реакции 3С₂Н_{2 (г)} = С₆Н_{6 (ж)}, если ΔН^о₂₉₈ реакции горения ацетилена с образованием СО_{2 (г)} и Н₂O _(ж) равна –1301 кДж/моль, а ΔН^о₂₉₈ образования С₆Н_{6 (ж)} составляет 82,9 кДж/моль.

31. При стандартных условиях теплота полного сгорания белого фосфора равна

760,1 к Дж/моль, а теплота сгорания черного фосфора равна 722,1 к Дж/моль. Чему равна теплота превращения черного фосфора в белый при стандартных условиях?

32. При получении азотной кислоты из KNО₃ протекают следующие реакции:

KNО_{3 (к)} + H₂SО_{4 (р)} = KHSО_{4 (к)} + HNО_{3 (г)} (а)

2KNО₃ (к) + H₂SО_{4 (р)} = K₂SО_{4 (к)} + 2HNО_{3 (г)} (б)

Сколько теплоты выделяется (или поглощается) при получении 1 кг азотной кислоты, если 80% ее образуется по реакции (а), ΔН^о (HNО_3(г))=

–133,90 кДж/моль.

33. Разложение гремучей ртути при взрыве идет по уравнению

Hg(ONC)₂ = Hg + 2CO + N₂ + 364,2 кДж.

Определите объем выделившихся газов (н.у.) и количество теплоты, поглотившейся при взрыве 1,5 кг Hg(ONC)₂.

34. Определите количество теплоты, выделяющейся при взаимодействии 50 г фосфорного ангидрида с водой по реакции

Р₂O₅ + Н₂О = 2НРO₃,

если тепловые эффекты реакции равны:

2Р + 5/2O₂ = Р₂O₅ –1549,0 кДж;

2Р + Н₂ + 3O₂ = 2НРO₃ –1964,8 кДж.

35. Вычислите количество теплоты, которое выделяется при сгорании 20 л диборана (н.у.), если ΔН^о₂₉₈В₂0_{3 (к)} и В₂Н_{6 (г)} соответственно равны –1264 и +31,4 кДж/моль. Целесообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана, если стандартная теплота сгорания этана –1559,88 кДж/моль?

36. Найдите теплоту сгорания алмаза, если стандартная теплота сгорания графита равна –393,51 кДж/моль, а теплота фазового перехода

С _{(графит)} → С _(алмаз) равна 1,88 кДж/моль.

37. Какое количество теплоты выделяется при превращении 1 кг красного фосфора в черный, если ΔН^о_{Р (красный)} = –18,41; ΔН^о_{Р (чёрный)}= –43,20 кДж/моль?

38. Сколько нужно затратить теплоты, чтобы разложить 200 г Na₂CО₃ до оксида натрия и диоксида углерода, если тепловые эффекты реакций равны:

Na₂CО₃ + SiО₂ = Na₂SiО₃ + СО₂ +819,29 кДж;

Na₂О + SiО₂ = Na₂SiО₃ –243,5 кДж?

39. Сколько теплоты выделится при сжигании 38 г сероуглерода CS₂?

40. При полном сгорании этилена (с образованием жидкой воды) выделилось 6226 кДж. Найти объем вступившего в реакцию кислорода (условия нормальные).

41. Водяной газ представляет собой смесь равных объемов водорода и оксида углерода (II). Найти количество теплоты, выделяющейся при сжигании 112 л водяного газа, взятого при нормальных условиях.

42. Сожжены с образованием H₂O (г) равные объемы водорода и ацетилена, взятых при одинаковых условиях. В каком случае выделится больше теплоты? Во сколько раз?

43. Найти массу метана, при полном сгорании которой (с образованием жидкой воды) выделяется теплота Q, достаточная для нагревания 100г воды от 20 до 30ºС. Мольную теплоемкость воды принять равной С = 75,3 Дж/(моль·К).

Q = C·ν·Δt, где ν – число молей воды.

44. Найти количество теплоты, выделяющееся при взрыве 8,4 л гремучего газа (2Н₂ + О₂), взятого при нормальных условиях.