Тема. Энергетика химических реакций

Контрольные вопросы и задания

1. Термохимические уравнения. Привести примеры. Расчет теплового эффекта химических реакций.

2. Закон Гесса, следствия из закона Гесса.

3. Энтропия, ее физический смысл. Расчет стандартного изменения энтропии в химической реакции.

4. Энергия Гиббса, ее физический смысл. Расчет стандартного изменения энергии Гиббса в химической реакции. Энтальпийный, энтропийный факторы и направление химической реакции. Оцените с термодинамических позиций состояние химического равновесия. Взаимосвязь энергии Гиббса и константы химического равновесия реакции.

5. Вычислите стандартное изменение энтальпии, энтропии и энергии Гиббса в следующих химических реакциях:

СaO(к) + CO₂(г) = СaCO₃(к)

2H₂O₂(ж) = 2H₂O (ж) + O₂(г)

4NH₃(г) + 3O₂(г) = 2N₂(г) + 6H₂O(г)

6. Укажите уравнение реакции, DH⁰ которой является энтальпией образования вещества:

CaO(к) + CO₂(г) = CaCO₃(к)

C(к) + 2Cl₂(г) = CСl₄(г)

CaO(к) + SiO₂(к) = CaSiO₃(к)

7. Вычислите энергию Гиббса в химической реакции

2NO₂(г) = N₂O₄(г) при температуре 100⁰С.

8. Оцените, в какую сторону смещено химическое равновесие реакции 2NO(г) = N₂(г) + O₂(г) при температуре 1000⁰С. Вычислите температуру, при которой наступает химическое равновесие.

 

Примеры выполнения заданий

Пример 1. Вычислите тепловой эффект химической реакции термического разложения нитрата серебра (I). Экзотермической или эндотермической является данная реакция?

Решение

1. Уравнение химической реакции, в котором указываем агрегатное состояние веществ:

2AgNO₃(к) = 2Ag(к) + 2NO₂(г) + O₂(г).

2. Значения стандартных энтальпий образования веществ (таблица 3 в Приложении): D_fH^o (298 K) (запишите над уравнением химической реакции):

D_fH^o (298 K), кДж/ моль –124 0 33 0

2AgNO₃(к) = 2Ag(к) + 2NO₂(г) + O₂(г)

 

3. В соответствии с первым следствием из закона Гесса тепловой эффект химической реакции:

DH^o (298 K) = 2 D_fH^o (298 K) (Ag) + 2 D_fH^o (298 K) (NO₂) +

+ D_fH^o (298 K) (O₂) – 2 D_fH^o (298 K) (AgNO₃) =

= 2 · 0 + 2 · 33 + 2 · 0 - 2(-124) = 314 кДж/ моль.

4. Термохимическое уравнение термического разложения нитрата серебра (I):

2AgNO3(к) = 2Ag(к) + 2NO2(г)+ O2(г);

DH^o(298 K) = 314 кДж/ моль.

Ответ. Стандартная энтальпия реакции равна 314 кДж/ моль. Реакция эндотермическая, так как DH^o (298 K) > 0.

Пример 2. Вычислите значение стандартной энтальпии реакции образования оксида железа (III) из простых веществ по следующим термохимическим уравнениям:

2Fe(к) + O2(г) =2FeO(к);	DH^o1(298 K) = - 532 кДж;
4FeO(к) + O2(г) = 2Fe2O3(к);	DH^o2(298 K) = - 584 кДж.

Решение

1. Термохимические уравнения соответствующих реакций:

2Fe(к) + O2(г) =2FeO(к);	DH^o1(298 K) = - 532 кДж; (1)
4FeO(к) + O2(г) =2Fe2O3(к);	DH^o2 (298 K) = - 584 кДж; (2)
4Fe(к) + 3O2(г) = 2Fe2O3(к);	DH^o3 (298 K) =? (3)

2. Схема этих процессов с указанием тепловых эффектов отдельных стадий:

DH^o₃ (298 K)

Fe ---------------------Fe₂O₃

 

DH^o₁ (298 K) FeO DH^o₂ (298 K)

3. По закону Гесса DH^o₃ (298 K) =2 DH^o₁ (298 K) + DH^o₂ (298 K) =
= 2(-532) + (-584) = - 1648 кДж. (Учтено, что в реакции по уравнению (1) участвует железо в количестве 2 моль, а в реакции по уравнению (2) - 4 моль, поэтому тепловой эффект DH^o₁ (298 K) удваивается.)

Ответ. Стандартная энтальпия реакции образования оксида железа (III) из простых веществ равна - 1648 кДж.

Пример 3. Вычислите изменение стандартной энтропии химической реакции: 2PbO₂(к) = 2PbO(к) + O₂(г).

Решение

1. Значения стандартных энтропий веществ (таблица 3 Приложения) Запишите под уравнением химической реакции:

2PbO₂(к) = 2PbO(к) + O₂(г)

S^o (298 K), Дж/(моль·К) 72 66 205

2. Изменение стандартной энтропии химической реакции DS^o (298 K):

DS^o (298 K) = 2 DS^o (298 K) (PbO) + DS^o (298 K) (O₂) –

- 2 DS^o (298 K) (PbO₂) =2 · 66 + 205 – 2 · 72 = 193 Дж/(моль · К).

Ответ. Изменение стандартной энтропии реакции равно

193 Дж/(моль·К).

Пример 4. Вычислите значение стандартной энергии Гиббса реакции 4FeO(к) + O₂(г) = 2Fe₂O₃(к) при температуре 298 К.

Решение.

1. Значения стандартных энергий Гиббса образования веществ D_fG^o (298 K) (таблица 3 Приложения):

D_fG^o (298 K), кДж/ моль -245 0 -742

4FeO(к) + O₂(г) = 2Fe₂O₃(к)

2. Стандартная энергия Гиббса химической реакции

DG^o (298 K) = 2 D_fG^o (298 K) (Fe₂O₃) – 4 D_fG^o (298 K) (FeO) –

- D_fG^o (298 K) (O₂) = 2 (-742) – 4 (-245) – 0 = -504 кДж

Ответ. Стандартная энергия Гиббса химической реакции при температуре 298 К равна – 504 кДж / моль.