Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Химическая кинетика



Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий РОС13 и хлороводород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указываются их агрегатные состояния или кристаллическая модификация, а также числовое значение тепло­вых эффектов, называют термохимическими. В термохимических уравнениях, если это специально не оговорено, указываются значения тепловых эффектов при постоянном давлении Qp, равные изменению энтальпии системы ∆Н. Значение ∆Н приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой или точкой с запятой. Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния вещества: г — газообразное, ж — жидкое, к — крис­таллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно.

Если в результате реакции выделяется теплота, то ∆Н < 0. Считывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

РС15(к) + Н2О(г) = РОСl 3(ж) + 2НС1(г); ∆Нхр = -111,4 кДж

Таблица 3

Стандартные теплоты (энтальпии) образования некоторых веществ

Вещество Состо- яние ∆Н , кДж/моль Вещество Состо-яние ∆Н , кДж/моль
С2Н2 СS2 NО С6Н6 С2Н4 Н2S NН3 СН4 С2Н6 НСl г г г г г г г г г г +226,75 +115,28 +90,37 +82,93 +52,28 -20,15 -46,19 -74,85 -84,62 -92,31 СО СН3ОН С2Н5ОН Н2О Н2О NН4Сl СО22О3 ТiО2 Са(ОН)2 Аl2О3 г г г г ж к г к к к к -110,52 -201,17 -235,31 -241,83 -285,84 -315,39 -393,51 -822,10 -943,90 -986,50 -1669,80

Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением С2Н6(г) + 3 ½ О2 = 2 СО2(г) + 3 Н2О(ж); Нхр = -1559,87 кДж.

Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО2(г) и Н2О(ж) (см. табл. 5 ).

Решение. Теплотой образования (энтальпией) данного соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоту образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25 оС (298 К) и 1,013∙105 Па и обозначают через ∆Н . Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то в дальнейшем индексы опускаются и тепловой эффект обозначается через ∆Н. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид

2С (графит) + ЗН2(г) - С2Н6(г); ∆Н= ?

исходя из следующих данных:

а) С2Н6(г) + 3'/2О2(г) = 2СО2(г) + ЗН2О(ж); ∆Н= -1559,87 кДж;

б) С (графит) + О2(г) = СО2(г); ∆Н = -393,51 кДж;

в) Н2(г) + ½ O2 = Н2О(ж); ∆Н = - 285,84 кДж.

На основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) — на 3, а затем сумму этих уравнений вычислить из уравнения (а):

С2Н6 + 372О2 - 2C - 2О2-ЗН2 -3/2О2 = 2СО2 + ЗН2О -2СО2 - ЗН2О

∆Н = -1559,87 -2(-393,51)-3(-285,84) = +84,67 кДж;

∆Н = -1559,87 + 787,02 + 857,52; С2Н6 = 2С + ЗН2; ∆Н= + 84,67 кДж.

Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то ∆Н (г) = -84,67 кДж . К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:

∆Нх р = 2∆НСО2 + З∆НН2О - ∆НС2н6 - 3 ½ ∆НО2

Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю ∆Нс2н6 = 2∆НСО + З∆НН О - ∆Нх р

∆Нс2н6 = 2(-393,51) + 3(-285,84) + 1559,87 = -84,67;

то ∆Н (г) = -84,67 кДж

Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением

С2Н5ОН(ж) + ЗО2(г) = 2СО2(г) + ЗН2О(ж); ∆Н= ?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что молярная теплота парообразования С2Н5ОН(ж) равна +42,36 кДж, а теплоты образования С2Н5ОН(г), СО2(г), Н2О(ж) см. табл. 5.

Решение. Для определения ∆Н реакции необходимо знать теплоту образования С2Н5ОН(ж). Последнюю находим из данных:

С2Н5ОН(ж) = С2Н5ОН(г); ∆Н= +42,36 кДж +42,36=-235,31-∆НС2Н5ОН (ж);

∆НС2Н5ОН (ж) = -235,31 - 42,36 = -277,67 кДж.

Вычисляем реакции, применяя следствия из закона Гесса:

∆Нхр = 2(-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж.

Пример 4. В каком состоянии энтропия 1 моль вещества больше при одинаковой температуре: в кристаллическом или парообразном?

Решение. Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядоченно и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для газа таких ограничений нет. Объем 1 моль газа гораздо больше объема 1 моль кристаллического вещества; возможность хаотичного движения молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моль паров вещества больше энтропии 1 моль его кристаллов при одинаковой температуре.

Пример 5. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе СН4(г) + СО2 2СО(г) + 2Н2(г)

Решение. Вычислим ∆G0298 прямой реакции. Значения ∆G0298 соответствующих веществ приведены в таблице 4. Зная, что ∆G есть функция состояния и что ∆G для простых веществ, находящихся в устойчивых при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим ∆G0298 процесса: ∆G0298 = 2(-137,27) + 2(0) - (-50,79 - 394,38) = + 170,63 кДж.

То что ∆G0298 > 0, указывает на невозможность самопроиз­вольного протекания прямой реакции при Т = 298К и давлении взятых газов, равном 1,013 ∙105 Па (760 мм рт. ст. = 1 атм).

Таблица 4

Стандартная энергия Гиббса образования некоторых веществ

 

Вещество Состояние , кДж/моль Вещество Состояние кДж/моль
ВаSО4 К -1138,8 FeO К -244,3
СаСО3 К -1128,75 H2O Ж -237,19
3О4 К -1014,2 H2O Г -228,59
ВеСО3 К -944,75 PbO2 К -219,0
СаО К -604,2 CO Г -137,27
ВеО К -581,61 CH4 Г -50,79
NаF К -541,0 NO2 Г +51,84
ВаО К -528,4 NO Г +86,69
СО2 Г -394,38 C2H2 Г +209,20
NaCl К -384,03      
ZnO К -318,2      

 

 

Таблица 5

Стандартные абсолютные энтропии некоторых веществ

 

Вещество Состоя ние Дж/ (моль∙К) Вещество Состоя ние Дж/(моль∙К)
С алмаз 2.44 H2O Г 188,72
С Графит 5.69 N2 Г 191,49
Fe К 27.2 NH3 Г 192,50
Ti К 30.7 CO Г 197,91
S Ромб 31.9 C2H2 Г 200,82
TiO2 К 50.3 O2 Г 205,03
FeO К 54.0 H2S Г 205,64
H2O Ж 69.94 NO Г 210,20
Fe2O3 К 89.96 CO2 Г 213,65
NH4Cl К 94.5 C2H4 Г 219,45
CH3OH Ж 126.8 Cl2 Г 222,95
H2 Г 130.59 NO2 Г 240,46
Fe3O4 К 146.4 PCl3 Г 311,66
CH4 Г 186.19 PCl5 Г 352,71
HCl Г 186.69      

Пример 6. На основании стандартных теплот образования (см. табл. 3) и абсолютных стандартных энтропии веществ (табл. 5) вычислите ∆S0298 реакции, протекающей по уравнению СО(г) + Н2О(ж) = СО2(г) + Н2(г)

Решение. ∆G0 = ∆Н - Т∆S0; ∆Н и ∆S — функции состояния, поэтому

∆Н0х.р. = (-393,51+0) – (-110,52-285,84) = +2,85 кДж

∆S0х.р. =(213.65 + 130.59) – (197.91 + 69.94) = +79.39 = 0.07639кДж/(моль∙К)

∆G0 = +2,85 – 298 ∙ 0,07639 = - 19,91 кДж.

Пример 7.Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению Fe2O3(к)+ 3H2(г) = 2Fe(к) + ЗН2О(г); ∆Н= +96,61 кДж

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии ∆S = 0,1387 кДж/(моль∙К)? При какой температуре начнется восстановление Fe2О3?

Решение. Вычисляем ∆G0 реакции: ∆G =∆H-T∆S = 96,61 -298 ∙ 0,1387 = +55,28 кДж.

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

∆Н = Т∆S;

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

Пример 8.Вычислите ∆Н°, ∆S и ∆G0т реакции, протекающей по уравнению Fe2O3(к) + ЗС = 2Fe + ЗСО. Возможна ли реакция восстановления Fe2O3 углеродом при 500 и 1000 К?

Решение. ∆Н0х.р. и ∆S0х.р. находим из соотношений (1) и (2):

∆Н = [3(-110.52)+2∙0]-[-822.10+3∙0]

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения

∆G500= 490,54 -500 = +219,99кДж

∆G1000 = 490,54 - 1000 = -50.56кДж

Так как ∆G500 >0, а ∆G1000 <0, то восстановление Fe2O3 возможно при 1000 К и невозможно при 500К.