Расчет изменения свободной энергии Гиббса в химических реакциях.
Цель работы:
-научиться рассчитывать изобарно-изотермический потенциал в химических реакциях
- определять направление самопроизвольного протекания реакций.
Вопросы для подготовки к занятию:
- понятие термодинамического потенциала, изобарно-изотермический и изохорно-изотермический потенциалы
- критерии самопроизвольного протекания реакций
Ход работы
I. Теоретическая часть
Основные понятия и расчетные формулы
1. Химическая реакция может протекать самопроизвольно при определенных условиях, если свободная энергия Гиббса в ходе процесса убывает: ∆G°< 0.
Если в приведенных условиях ∆G°> 0, реакция не может протекать самопроизвольно.
При ∆G°= 0 (G = Gmin) в системе устанавливается равновесие.
2. Изменение свободной энергии Гиббса при стандартных условиях ( Т= 298 К, р = 1атм) в ходе химической реакции ΔG°298можно подсчитать по соотношению:
ΔG°298 = ∑∆G°f,298 i · νi - ∑∆G°f,298 i · νi (1)
Продуктов исходных веществ
где
∆G°f,298 – изменение стандартной свободной энергии Гиббса образования i-того реагирующего вещества из простых веществ, приводится в справочной литературе (Приложение, Таблица3); кДж/моль
νi - число моль i – того вещества, участвующее в реакции (стехиометрический коэффициент этого вещества), моль
3. При температуре Т, отличной от стандартной, (Т≠298 К), изменение свободной энергии Гиббса в реакции ΔG°Т рассчитывают по соотношению:
ΔG°Т = ∆Н°298 - Т∙ ∆S°298 (2)
где:
∆Н°298 – стандартное изменение энтальпии в ходе химической реакции, кДж
∆S°298 - стандартное изменение энтальпии в ходе химической реакции, кДж/К
Значения ∆Н°298 и ∆S°298 рассчитывают по соотношениям:
ΔН°298 = ∑∆Н°f,298 i · νi - ∑∆Н°f,298 i · νi (3)
Продуктов исходных веществ
ΔS°298 = ∑S°f,298 i · νi - ∑S°f,298 i · νi (4)
Продуктов исходных веществ
с использованием табличных значений ∑∆Н°f,298 и S°f,298 реагирующих веществ (Приложение, Таблица 3)
II. Практическая часть.
II.1 Примеры решения задач
Реакция происходит по уравнению:
НCl(г) + O2(г) → Н2O(ж) + Cl2(г)
Возможно ли самопроизвольное протекание данной реакции:
а) при стандартной температуре
б) при температуре 727°C
а)Дано: СИ Решение
t=25°C 298 К 1. Записать уравнение реакции, расставить коэффициенты:
р = 101325 Па
4НCl(г) + O2(г) → 2Н2O(ж) + 2Cl2(г)
Найти: 2. Выписать из Приложения, Т.3 значения ∆G°f,298 для всех
реагирующих веществ:
ΔG°298∆G°f,298 (НCl(г)) = -95,30 кДж/моль
∆G°f,298 (O2(г) ) = 0 кДж/моль
∆G °f,298 (Н2O(ж)) = -237,23 кДж/моль ∆G°f,298 (Cl2(г) )= 0 кДж/моль
3. ΔG°298- ? Значение ΔG°298находим с использованием формулы 1:
Δ G°298 = [2•∆G °f,298 (Н2O(ж)) + 2•∆G°f,298 (Cl2(г) ) ] - [4•∆G°f,298 (НCl(г)) + ∆G°f,298 (O2(г) )]=
=[2•(-237,23) + 2•0] - [4∙(-95,30) + 1•0 ] = - 93,26 (кДж)
4. ΔG°298< 0, то есть данная реакция может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.
б)Дано: СИ Решение
t=727°C 1000К 1. Записать уравнение реакции, расставить коэффициенты:
р = 101325 Па
4НCl(г) + O2(г) → 2Н2O(ж) + 2Cl2(г)
Найти: 2. Выписать из Приложения, Т.3 значения ∆Н°f,298 и S°f,298
ΔG°1000 всех реагирующих веществ:
вещество | НCl(г) | O2(г) | Н2O(ж) | Cl2(г) |
∆Н°f,298 кДж/моль | --92,31 | -285,83 | ||
S°f,298 Дж/моль∙К | 186,79 | 205,04 | 69,95 | 222,98 |
3. ∆Н°298 и ∆S°298 - ? Значениея ∆Н°298 и ∆S°298 находим с использованием формул 3 и 4:
Δ Н°298 = [2•∆Н °f,298 (Н2O(ж)) + 2•∆Н°f,298 (Cl2(г) ) ] - [4•∆Н°f,298 (НCl(г)) + ∆Н°f,298 (O2(г) )]=
=[2•(-285,83) + 2•0] - [4∙(- 92,31) + 1•0 ] = - 202,42(кДж)
Δ S°298 = [2•S °f,298 (Н2O(ж)) + 2•S°f,298 (Cl2(г) ) ] - [4•S°f,298 (НCl(г)) + S°f,298 (O2(г) )]=
=[2•69,95 + 2•222,98] - [4∙186,79 + 1•205,04 ] = - 366,34(Дж/К) = -0,36634кДж/К
4. ΔG°1000- ? Значение ΔG°1000найдем по формуле: ΔG°Т = ∆Н°298 - Т∙ ∆S°298
ΔG°1000= -202,42 - 1000•(-0,36634) = 163,92 (кДж)
5. ΔG°298> 0, то есть данная реакция не может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.
II.2 Примеры для самостоятельной работы:
Определить возможность самопроизвольного протекания реакций при температуре 298К и 1000К
1. CS2(ж) + O2(г) ↔ CO2(г) + SO2(г)
2. NH4Cl (тв.) ↔ NH3(г) + HCl(г);
3.* гидратация этилена
4* пиролиз пентана
Оформление отчета:
Отчет должен содержать:
1. Тему и цель работы.
2. Основные расчетные формулы (1-4).
3. Пример расчетной задачи.
4. Выполненное задание для самостоятельной работы (задачи со знаком *выполняются по желанию на дополнительную оценку).
Практическое занятие № 9
Подготовка к контрольной работе
Цель работы:обобщить знания и умения, полученные при выполнении занятий №4 - №8
Ход работы
Примеры для подготовки:
1. Найти количество тепла, необходимое для изобарного нагревания 44 г углекислого газа от 200 до 400 °C. Зависимость молярной теплоемкости от температуры выражается уравнением: Ср = 10,55 + 0,00216 Т, Дж/(моль К)
2. Найти количество тепла, необходимое для изохорного нагревания 30 г водорода от 0 до 400 °C.
3. Найти работу, совершенную при расширении воздуха с 50 л до 250 л, если процесс происходит при неизменном атмосферном давлении.
4. Рассчитать изобарный тепловой эффект реакции сгорания ацетилена, если изохорный тепловой эффект составляет 1125,61 кДж/моль при 40°C.
5. Рассчитать изохорный тепловой эффект реакции: N2(г) + 3H2(г)↔2NН3(г), при 500°C, если изобарный тепловой эффект составляет 85,14 кДж.
6. Дайте заключение о возможности самопроизвольного протекании химической реакции при стандартных условиях: CaCO3 (кр) → CaO (кр) + CO2 (г)
7. Дайте заключение о возможности самопроизвольного протекании химической реакции при 250 °C: ВaCO3 (кр) → ВaO (кр) + CO2 (г)
Практическое занятие № 10