Примеры решения типовых задач по теме

«Химическая термодинамика»

1. Рассчитайте химической реакции

по значениям стандартных энтальпий образования веществ (прил. 2). Укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая).

Р е ш е н и е:

По данным (прил. 1), стандартные энтальпии образования , и при 298 К равны соответственно –416, –286
и –427,8 кДж/моль. Используя следствие закона Гесса, рассчитываем химической реакции:

∆Н⁰_х.р = 2∆Н⁰_f (NaOH) – [∆Н⁰_f (Na₂O) + Н⁰_f (Н₂О)]

2(–427,8) – [–416 + (–286)] = –153,6 кДж.

Реакция является экзотермической, так как < 0.

Ответ: –153,6 кДж.

2. Определите, как изменяется энтропия при протекании химического процесса .

Р е ш е н и е:

В данном процессе при взаимодействии 1 моля кристаллического и
1 моля жидкого вещества образуются 2 моля кристаллического вещества, следовательно, система переходит в состояние с меньшим беспорядком
и энтропия уменьшается (DS < 0).

Ответ: уменьшается.

3. Рассчитайте величину для процесса

,

используя значения стандартных энтропий веществ.

Р е ш е н и е:

Используя справочные данные ,

, ,

рассчитываем :

∆S⁰₂₉₈ = 2∙S⁰(NаОH) – [S⁰(Na₂O) + S⁰(H₂O)] =

2∙64,16 – (75,5 + 70) = –17,18 Дж/К.

Ответ: энтропия уменьшается. = –17,18 Дж/К.

4. Рассчитайте изменение энергии Гиббса ( ) для процесса по значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ. Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298 К?

Р е ш е н и е:

При стандартных условиях ( ) можно рассчитать как разность суммарной энергии Гиббса образования продуктов реакции
и суммарной энергии Гиббса образования исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов.

Необходимые справочные данные: .

∆G⁰_f (Na₂O) = –378 кДж/моль, ∆G⁰_f (H₂O) = –237 кДж/моль

∆G⁰₂₉₈ = 2∙∆G⁰_f (NaOH) – [∆G⁰_f (Na₂O) + ∆G⁰_f (H₂O)] =

= 2∙(–381,1) – [–378 + (–237)] = –147,2 кДж.

Значение отрицательно, поэтому самопроизвольное протекание реакции возможно в прямом направлении.

Ответ: возможно; –147,2 кДж.

5. Определите, возможно ли при 95^oС самопроизвольное протекание процесса . Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

Р е ш е н и е:

Переведем температуру в шкалу Кельвина: . Для расчета DG⁰₃₆₈ воспользуемся уравнением

Используем изменения энтальпии и энтропии, рассчитанные для данного процесса в предыдущих задачах. При этом величину изменения энтропии необходимо перевести из Дж/К в кДж/К, поскольку значения и обычно измеряют в кДж, т. е.

Таким образом, < 0, поэтому самопроизвольное протекание данного процесса при 95 ^oС возможно.

Ответ: возможно; –147,3 кДж.

6. Составьте термохимическое уравнение реакции взаимодействия и , если при этом образуется 1 моль . В ответе приведите количество теплоты (Q), указанное в термохимическом уравнении.

Р е ш е н и е:

Коэффициенты в термохимическом уравнении имеют смысл молей. Поэтому допустимы дробные значения коэффициентов и 1 моль гидроксида натрия может образоваться из 1/2 моля оксида натрия и 1/2 моля воды.
В результате расчета выяснено, что при образовании 2 молей
в данной реакции выделяется 153,6 кДж теплоты, = –153,6 кДж. Поэтому при образовании 1 моль количество выделившейся теплоты будет в 2 раза меньше, т. е. 76,8 кДж. В термохимическом уравнении количество выделяющейся теплоты указывают со знаком «плюс»: .

Ответ: Q = +76,8 кДж.

Задания для самоконтроля

1. Рассчитайте химической реакции

по значениям стандартных теплот образования веществ. Укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая).

2. Рассчитайте химической реакции

по значениям стандартных теплот образования веществ. Укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая).

3. Рассчитайте химической реакции

по значениям стандартных теплот образования веществ. Укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая).

4. По значениям стандартных теплот образования веществ рассчитайте химической реакции

Укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая).

5. Определите, как изменяется энтропия при протекании химического процесса .

6. Определите, как изменяется энтропия при протекании химического процесса .

7. Определите, как изменяется энтропия при протекании химического процесса .

8. Используя значения стандартных энтропий веществ, рассчитайте величину для процесса

,

9. Используя значения стандартных энтропий веществ, рассчитайте величину для процесса

,

10. Используя значения стандартных энтропий веществ, рассчитайте величину для процесса

,

11. По значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ

рассчитайте изменение энергии Гиббса для процесса

Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298 К?

12. Рассчитайте изменение энергии Гиббса для процесса по значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ. Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298 К?

13. Рассчитайте изменение энергии Гиббса для процесса по значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ. Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298 К?

14. Определите, возможно ли при самопроизвольное протекание процесса . Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

15. Определите, возможно ли при самопроизвольное протекание процесса . Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

16. Определите, возможно ли при самопроизвольное протекание процесса . Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

17. Составьте термохимическое уравнение реакции разложения , если при этом образуется 1 моль и 1 моль . В ответе приведите количество теплоты, указанное в термохимическом уравнении.

18. Составьте термохимическое уравнение реакции взаимодействия и , если при этом образуется 1 моль . В ответе приведите количество теплоты, указанное в термохимическом уравнении.

19. Составьте термохимическое уравнение реакции взаимодействия и , если при этом образуется 1 моль . В ответе приведите количество теплоты, указанное в термохимическом уравнении.

Библиографический список

1. Борсоева, С. А. Химия : учеб. пособие / С. А. Борсоева, В. А. Миронова и др. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2006.

2. Коровин, Н. В. Общая химия : учеб. пособие / Н. В. Коровин. – М. : Высш. шк., 2000.

3. Шелинский, Г. И. Основы теории химических процессов : учеб. пособие / Г. И. Шелинский. – М. : Просвещение, 2000.

4. Глинка, Н. Л. Общая химия : учеб. пособие / Н. Л. Глинка. – М. : Высш. шк., 2001.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Варианты и условия заданий

№ варианта	Реакция	Т, К	Количество вещества
Масса	Объем
	Fe3O4(т) +H2(г) = 3FeO(т) +H2O(г)		10 кг FeO
	H2(г) +CO2 = H2O(г) + CO(г)	2 000		10 л CO2
	CO(г) + FeO(т) = CO2(г) +Fe(т)			2 л CO2
	CH4(г) + CO2(г) = 2CO(г) + 2H2(г)	1 600		4 л CO
	PbO(т) + H2(г) =Pb(т) +H2O(г)		1 кг PbO
	2CuCl(т) + H2(г) = 2Cu(т) + 2HCl(г)			2 л H2
	CaCO3(т) = CaO(т) + CO2(г)			7 л CO2
	MgCO3(т) = MgO(т) + CO2(г)			100 л CO2
	2PbSO4(т) = 2PbO(т) + 2SO2(г) + O2(г)		20 кг SO2
	Ca(OH)2(т) = CaO(т) + H2O(г)		5 кг CaO
	3Fe2O3(т) = 2Fe3O4(т)+ 1/2O2Iг)		7 кг Fe2O3
	FeO(т) + H2(г) = Fe(т) + H2O(г)			10 л H2
	Fe3O4(т) + 4H2(г) = 3Fe(т) + 4H2O(г)			2 л H2
	C(графит) + 2H2O(г) = CO2(г) + 2H2(г)	1 200	1 кг C
	Al2O3(т) + C(графит) = 2Al(т) +3CO(г)		5 моль Al2O3
	Fe3O4(т) + 4CO(г) = 3Fe(т) + 4CO3(г)	1 000	1 кг Fe
	Mg(т) + CO2(г) = MgO(т) + CO(г)		1 кг Mg
	TiCl4(ж) + 2Mg(т) = Ti(т) + 2MgCl2(г)		10 кг Ti
	Al2O3(т) + 3C(графит) = 2Al(т) + 3CO(г)			3 л CO
	H2S(г) + 3/2O2(г) = H2O(г) + SO2(г)			1 л H2S
	H2(г) + 1/2O2(г) = H2O(г)			1 л O2
	2CO2(г) + H2O(г) = C2H2(г0 + 1/2O2(г)			2 л C2H2
	H2O2(г) = H2O(г) + 1/2O2(г)	1 000		2 л H2O
	C(алмаз) ®С(графит)	3 000	1кг C(графит)
	CaO(т) + CO2(г) + CaCo3(т)			2 л CO2
	2NaHCO3(т) = Na2CO3(т) + CO2(г) + H2O(г)		5 кг Na2CO3
	C2H4(г) + H2(г) = С2H6			1 л C2H4
	KclO3(т) = KCl(т) + 3/2O2(г)			2 л O2
	2Al(т) + 3Cl2(г) = 2AlCl3(т)		1 кг Al
	Fe2O3(т) + 3CO(г) = 3CO2(г) + 2Fe(т)	1 000	6 кг Fe

Примечание: (г) – газ, (ж) – жидкость, (т) – твердое (кристаллическое) вещество.

Приложение 2