Энергетика химических процессов и химическое сродство

Ниже приведенаметодика решения типовых задач (при решении задач этого раздела следует пользоваться данными таблицы 3).

Пример 1. Рассчитать стандартный тепловой эффект реакции

1/2Na₂O_(к) + 1/2H₂O_(ж) = NaOH_(к).

Записать термохимическое уравнение реакции.

Решение. На основании следствия из закона Гесса можно записать

.

Подставив в это выражение значения стандартных энтальпий образования веществ с учетом их агрегатных состояний (табл. 3), получим

= - 426,60 –(- 215,30 - 142,92) = - 68,38 кДж/моль.

Термохимическое уравнение следует записать так:

1/2Na₂O_(к) + 1/2H₂O_(ж) = NaOH_(к); -68,38 кДж/моль.

Пример 2. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением С₂Н₅ОН_(ж) + 3О_2(г) = 2СО_2(г) +3Н₂О(_ж)); = ?

Вычислить тепловой эффект реакции, если известно, что молярная энтальпия парообразования С₂Н₅ОН_(ж) равна +42,36 кДж и известны теплоты образования веществ, участвующих в этой реакции (табл. 3), а для этанола изменение энталь-пии образования составляет кДж/моль.

Решение. Для определения реакции необходимо знать теплоту образования этанола С₂Н₅ОН_(ж):

С₂Н₅ОН_(ж) = С₂Н₅ОН_(г); = +42,36 кДж/моль.

Запишем на основании следствия из закона Гесса:

.

Подставив численные значения, получим .

Отсюда легко рассчитать

Таким образом, теперь имеются все данные для расчета теплового эффекта реакции:

кДж.

Пример 3. Не производя вычислений, определить знак изменения энтропии (ΔS) в следующих реакциях:

1) NН₄NO_3(к) = N₂O _(г) + 2Н₂О _(г);

2) 2Н₂S + 3O_2(г) = 2Н₂О_(ж) + 2SO_2(г).

Решение. В первой реакции 1 моль вещества в кристаллическом состоянии образует 3 моля газов, следовательно, изменение энтропии ΔS >0. Во второй реакции уменьшается число молей газообразных веществ, следовательно, энтро-пия уменьшается, т. е. ΔS <0.

Пример 4. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий веществ (табл. 3) вычислите изменение энергии Гиббса реакции, протекающей по уравнению

СО(г) + Н₂О(ж) = СО₂(г) + Н₂(г).

Решение. Известно, что энергия Гиббса является критерием возможности протекания химической реакции. Она рассчитывается по формуле

ΔG^o = ΔH^o – TΔS^o,

где ΔH^o –изменение энтальпии реакции, ΔS^o- изменение энтропии реакции. Поскольку ΔH^o и ΔS^o– функциисостояния системы, то согласно следствию из закона Гесса имеем

ΔH^o= ; ΔS^o= .

Отсюда

т.е.

ΔН^о = (-393,51+0) - (-110,52 - 285,84),=+2,85 кДж/моль.

ΔS^o=(213,65+130,59)-(197,91+69,94)= +76,39 Дж/моль·град или 0,07639 кДж/моль-град.

Тогда энергия Гиббса

ΔG^o = +2,85 - 298(0,07639) = -19,91 кДж/моль.

Поскольку ΔG^o< 0, то реакция возможна в прямом направлении.

Пример 5. Восстановление Fe₂O₃ водородом протекает по уравнению

Fe₂O_3(к) + 3H_2(г) = 2Fe_(к) + 3Н₂О_(г); ΔН^о = +96,61 кДж.

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии ΔS^o =+0,1387 кДж/моль-град? При какой температуре начнется восста-новление оксида железа(III)?

Решение. Вычисляем изменение энергии Гиббса реакции:

ΔG^o = ΔH^o – TΔS^o = +96,61 - 298· 0,1387 = +55,28 кДж.

Так как ΔG° > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия). Найдем температуру, при которой ΔG° = 0:

Следовательно, при температуре ≈696,5К начнется реакция восстановления Fe₂O₃. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.