Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения

DG⁰_х.р. =DH⁰_х.р – ТDS⁰_х.р.;

DG⁰₂₉₈ = 490,7 – 298 × 0,540 = +329,8 кДж;

DG⁰₁₀₀₀ = 490,7 – 1000 × 0,540 = –49,3 кДж.

Так как DG⁰₂₉₈ > 0, а DG⁰₁₀₀₀ < 0, то восстановление Fe₂O₃ углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 298 К.

 

Задачи

3.1. а) Вычислить тепловой эффект и написать термохимическое уравнение реакции между СО (г) и Н₂ (г), в результате которой образуются СН₄ (г) и Н₂О (г). Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 100 л СО (условия нормальные)? (Ответ: -206,2 кДж; 920,5 кДж).

б) Прямая или обратная реакция будет протекать при 298 К в системе

2NO (г) + O₂ (г) = 2NO₂ (г)?

Ответ обосновать, вычислив ∆G⁰_х.р.

3.2. а) Реакция горения этилена выражается уравнением

С₂Н₄ (г) + 3О₂ (г) = 2СО₂ (г) + 2Н₂О (г).

При сгорании 1 л С₂Н₄ (н.у.) выделяется 59,06 кДж теплоты. Определить стандартную энтальпию образования этилена. (Ответ: 52,3 кДж/моль).

б) Пользуясь значениями и , вычислить ∆G⁰ реакции при 298 К

С_{(графит)} + О₂ (г) = СО₂ (г), (Ответ: −394,4 кДж).

3.3. а) Сожжены с образованием H₂O (г) равные объемы водорода и ацетилена, взятых при одинаковых условиях. В каком случае выделится больше теплоты? Во сколько раз? (Ответ: 5,2).

б) Исходя из стандартных энтальпий образования и стандартных энтропий соответствующих веществ, вычислить ∆G⁰_х.р.

Н₂ (г) + СО₂ (г) = СО (г) + Н₂О (ж).

Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно?

(Ответ: 20 кДж).

3.4. а) Вычислить, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л (н.у.) ацетилена, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды.

(Ответ: 9248,8 кДж).

б) Возможна ли при стандартных условиях реакция

4Al (к) + 3CO₂ (г) = 2Al₂O₃ (к) + 3C (к)

Ответ обосновать, вычислив ∆G⁰_х.р.

3.5. а) Газообразный этиловый спирт С₂H₅OH можно получить при взаимодействии этилена С₂Н₄ (г) и водяных паров. Вычислить тепловой эффект этой реакции и написать термохимическое уравнение. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 100 л этилена (н.у.)?

(Ответ: -45,8 кДж; 204,5 кДж).

б) Вычислить изменение энтропии реакции

С₂Н₄ (г) + 3О₂ (г) = 2СО₂ (г) + 2Н₂О (г). (Ответ: −29,6 Дж/К).

3.6. а) Вычислить, какое количество теплоты выделилось при восстановлении Fe₂O₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.

(Ответ: 2554,5 кДж).

б) Рассчитать ∆G⁰ реакции N₂ (г) + 2H₂O (ж) = NH₄NO₂ (к) и сделать вывод о возможности ее протекания. = 115,9 кДж/моль.

(Ответ: 590,5 кДж).

3.7. а) При растворении 16 г СаС₂ в воде выделяется 31,27 кДж теплоты. Определить стандартную энтальпию образования Са(ОН)₂.

(Ответ: –986,2 кДж/ моль).

б) Вычислить DS⁰ следующих реакций:

С_{(графит)} + СО₂ (г) = 2СО (г); С_{(графит)} + О₂ (г) = СО₂ (г)

(Ответ: 175,6 Дж/К; 3 Дж/К).

3.8. а) При восстановлении 12,7 г оксида меди (II) углем (с образованием СО) поглощается 8,24 кДж. Определить стандартную энтальпию образования СuO. (Ответ: –162 кДж/моль).

б) Вычислить, при какой температуре наступит равновесие системы

СО (г) + 2Н₂ (г) ↔ СН₃ОН (ж). (Ответ: 386 К).

3.9. а) Вычислить тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

FeO (к) + CO (г) = Fe (к) + СO₂ (г), ∆Н⁰₍₁₎ = –19,2 кДж;(1)

СO (г) + ½O₂ (г) = СO₂ (г), ∆Н⁰₍₂₎= –283 кДж;(2)

H₂ (г) + ½O₂ (г) = H₂O (г), ∆Н⁰₍₃₎= –241,8 кДж.(3)

(Ответ: 22 кДж).

б) Реакция горения ацетилена идет по уравнению

С₂Н₂ (г) + 5½О₂ (г) = 2СО₂ (г) + Н₂О (ж).

Вычислить ∆G⁰_х.р. и ∆S⁰_х.р. Объяснить уменьшение энтропии в результате этой реакции. (Ответ: −1235,3 кДж; −215,8 Дж/К).

3.10. а) Вычислить стандартную энтальпию образования NO из простых веществ, исходя из следующих термохимических уравнений:

4NH₃ (г) + 5О₂ (г) = 4NO (г) + 6Н₂О (ж), ∆Н⁰₍₁₎= –1168,80 кДж; (1)

4NH₃ (г) + 3О₂ (г) = 2N₂ (г) + 6Н₂О (ж), ∆Н⁰₍₂₎ = –1530,28 кДж. (2)

(Ответ: 90,37 кДж).

б) При какой температуре наступит равновесие системы

СН₄ (г) + СО₂ (г) = 2СО (г) + 2Н₂ (г), ∆Н⁰_х.р. = +247,4 кДж.

(Ответ: 965,2 К).

3.11. а) Восстановление диоксида свинца водородом протекает по уравнению PbO₂ (к) + H₂ (г) = PbO (к) + H₂O (г), ∆Н⁰_х.р. = −182,5 кДж. Вычислить

стандартную энтальпию образования PbO₂. (Ответ: −276,6 кДж/моль).

б) Вычислить, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по уравнению

PCl₅ (г) = PCl₃ (г) + Cl₂ (г), ∆Н⁰_х.р. = +92,4 кДж.

= 223 Дж/моль ∙ К. (Ответ: 448,6 К).

3.12. а) Исходя из уравнения реакции горения ацетилена

С₂Н₂ (г) + 5½О₂ (г) = 2СО₂ (г) + Н₂О (г), DH⁰_х.р. = –1255,6 кДж,

вычислить, сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ С₂Н₂ (н.у.).

(Ответ: 56053,5 кДж).

б) Какой из карбонатов ВеСО₃, или СаСО₃ можно получить по реакции взаимодействия соответствующих оксидов с СО₂? Вывод сделать, вычислив ∆G⁰_х.р.. = -944,8 кДж/моль; = -581,6 кДж/моль.

(Ответ: +31,4 кДж; -129,9 кДж).

3.13. а) Определить количество теплоты, выделившейся при взаимодействии 50 г фосфорного ангидрида с водой по реакции

Р₂О₅ (к) + H₂O (ж) = 2HPO₃ (ж),

если тепловые эффекты реакции равны:

2Р (к) + 5½O₂ (г) = Р₂О₅ (к), ∆Н⁰ = –1492 кДж;

2Р (к) + H₂ (г) + 3O₂ (г) = 2HPO₃ (ж), ∆Н⁰ = –1964,8 кДж.

(Ответ: 65,8 кДж).

б) Рассчитать стандартную энтропию оксида железа (III), если известно изменение энтропии реакции

4FeO (к) + O₂ (г) = 2Fe₂O₃ (к), ∆S⁰_х.р.= –260,4 Дж/К.

(Ответ: 89,9 Дж/моль К).

3.14. а) Определить тепловой эффект реакции, протекающей по уравнению: PbO₂ (к) + СО (г) = PbO (к) + СO₂ (г).

(Ответ: −223,7 кДж).

б) Вычислить ∆Н⁰_х.р., ∆S⁰_х.р. и ∆G⁰_Т реакции, протекающей по уравнению

Fe₂O₃ (к) + 3Н₂ (г) = 2Fe (к) + 3Н₂O (г).

Возможна ли реакция восстановления Fe₂O₃ водородом при температурах 500 и 1500 К? (Ответ: +96,8 кДж; 138,8 Дж/К; 27,3 кДж; –111,7 кДж).

3.15. а) Определить стандартную энтальпию образования пентахлорида фосфора РСl₅ из простых веществ, исходя из следующих термохимических уравнений:

2Р + 3Сl₂ = 2РСl₃, ∆Н⁰₍₁₎= –554,0 кДж; (1)

РСl₃ + Сl₂ = РСl₅, ∆Н⁰₍₂₎ = –92,4 кДж. (2)

(Ответ: –369,2 кДж/моль).

б) При какой температуре наступит равновесие системы

4HCl (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г) + 2Cl₂ (г), DH⁰_х.р. = –114,4 кДж.

= 223 Дж/моль ∙ К; = 186,7 Дж/моль ∙ К. (Ответ: 891 К).

3.16. а ) Выислить тепловой эффект и написать термохимическое уравнение реакции между СН₄ (г) и Н₂О (г), в результате которой образуются СО (г) и

Н₂ (г). (Ответ: 206,2 кДж).

б) Рассчитать энергию Гиббса химических реакций, протекающих по уравнениям:

CaO (к) + Н₂О (г) = Са(ОН)₂ (к); (1)

Р₂О₅ (к) + 3Н₂О (г) = 2Н₃РО₄ (к), (2)

и определить, какой из двух оксидов, CaO или Р₂О₅ при стандартных условиях лучше поглощает водяные пары. (Ответ: –65,5 кДж; –205,2кДж).

3.17. а) Определить стандартную энтальпию образования фосфина РН₃, исходя из уравнения:

2РН₃ (г) + 4О₂ (г) = Р₂О₅ (к) + 3Н₂О (ж), DH⁰_х.р. = –2360 кДж.

(Ответ: 5,3 кДж/моль).

б) Вычислить значения ∆G⁰_х.р. следующих реакций восстановления оксида железа (III):

Fe₂O₃ (к) + 3Н₂ (г) = 2Fe (к) + 3Н₂О (г); (1)

2Fe₂O₃ (к) + 3С (к) = 4Fe (к) + 3СО₂ (г); (2)

Fe₂O₃ (к) + 3СO (г) = 2Fe (к) + 3СО₂ (г). (3).

Протекание какой из этих реакций наиболее вероятно?

(Ответ: +55 кДж; +298,4 кДж; –31,1 кДж).

3.18. а) При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж теплоты. Рассчитать тепловой эффект и написать термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислить энтальпию образования С₂Н₅ОН (ж).

(Ответ: −1234,8 кДж; –277,6 кДж/моль.).

б) Пользуясь значениями ∆Н⁰_х.р., ∆S⁰_х.р.,вычислить∆G⁰реакции, протекающей по уравнению PbO₂ + Pb = 2PbO. Определить, возможна ли эта реакция при 298 К.(Ответ: –157,3 кДж.).

3.19. а) При сгорании 9,3 г фосфора выделяется 223,8 кДж теплоты. Рассчитать энтальпию образования оксида фосфора (V). (Ответ: –1492 кДж.).

б) Какой из двух процессов разложения нитрата аммония наиболее вероятен при 298 К?

NH₄NO₃ (к) → N₂O (г) + 2H₂O (г); (1)

NH₄NO₃ (к) → N₂ (г) + ½O₂ (г) + 2H₂O (г). (2)

Ответ обосновать, рассчитав ∆G⁰_х.р.(Ответ: –169,1 кДж; –273,3 кДж.).

3.20. а) Реакция горения метана протекает по уравнению

СН₄ (г) + 2О₂ (г) = СО₂ (г) + 2Н₂О (г).

Рассчитать тепловой эффект реакции и количество теплоты, которое выделится при сгорании 100 л метана (н.у.).

(Ответ: –802,2 кДж; 3581,3 кДж).

б) Вычислить стандартную энергию Гиббса образования NH₃, исходя из значений энтальпии образования NH₃ и изменения энтропии (∆S⁰) реакции N₂ (г) + 3Н₂ (г) = 2NH₃ (г). (Ответ: – 16,7кДж/моль).

Лабораторная работа 4

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

 

Цель работы: изучить понятие «скорость реакции», зависимость скорости реакции от концентрации (закон действия масс) и температуры (правило Вант-Гоффа).

Задание: провести реакцию между тиосульфатом натрия и серной кислотой и установить зависимость скорости реакции от концентрации и температуры. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Скоростью реакции называется изменение концентрации какого-либо из веществ, вступающего в реакцию или образующегося при реакции, за единицу времени.

Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, присутствия катализаторов.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. В общем случае для реакции

nA + mB = pАВ

зависимость скорости реакции от концентрации выражается уравнением:

,

где k – константа скорости реакции; C_А и C_В – концентрации реагирующих веществ; n и m – коэффициенты перед веществами А и В.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа: в гомогенной системе при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза:

, где V₂и V₁ – скорость реакции при температурах t₂ и t₁; γ – температурный коэффициент скорости реакции.

 

Выполнение работы

 

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ и температуры удобно исследовать на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂+ S↓ + H₂O

Признаком окончания реакции является помутнение раствора вследствие выделения серы. Время, которое проходит от начала реакции до заметного появления мути, позволяет судить об относительной скорости реакции.