Глава I. Химическая термодинамика

Глава I. Химическая термодинамика

1. Определить тепловой эффект химической реакции в стандартных условиях при 500 К: СН₃ОН + 3/2 О_2(г) = СO_2(г) + 2Н₂O

Решение:

Из справочника [8] выпишем необходимые для расчёта термодинамические величины

Для расчёта теплового эффекта и изменения теплоёмкости применим следствие из закона Гесса, при этом учитываем, что для простых веществ стандартная теплота образования равна нулю.

ΔH⁰_{298, х.р.} = Σν_iΔH⁰_{298,f (прод)} – Σν_iΔH⁰ _{298, f (исх)}

ΔH⁰_{298, х.р.} = ΔН⁰_{298, f ( )} + 2ΔН⁰_{298, f ( )} – ΔН⁰_{298, f ( )} =

= (– 393,51) + 2(–241,84) – (–201,2) = – 675,99 кДж.

Знак минус перед тепловым эффектом означает, что теплота выделяется в результате реакции.

ΔС⁰_{р, 298} = (С_{р( )} + 2С_{р( )}) – (С_{р( )} – С_{р( )}) =

= (37,13 + 2·33,56) – (43,9 + 3/2·29,36) = 16,31 Дж/К

Тепловой эффект при 500 К находим по уравнению Кирхгофа (второе приближение), при условии, что средняя изобарная теплоемкость постоянна

С_р = C⁰_p298 = const.

ΔН⁰_{500 х.р.} = = ΔН⁰₂₉₈ + = ΔН⁰₂₉₈ + ΔC_p (500 – 298) =

= – 675,99·10³ + 16,31(500 – 298) = 672,70·10³ Дж = 672,7 кДж

2. Рассчитать (по теплотам сгорания) стандартную теплоту образования глицерина С₃Н₈О_{3 (ж)}.

Решение:

Из определения теплоты образования следует, что H_{298, f ( )} – это тепловой эффект реакции:

3С_(гр) + 4Н₂ + 3/2 О₂ = С₃H₈О_{3 (ж)},

используя следствие из закона Гесса, можно записать:

Δ H_{298, f ( )} = 3ΔH_{сгор ( )} + 4ΔН _{сгор ( )} – ΔН _{сгор ( )}

Теплоты сгорания простых веществ при стандартных условиях численно равны стандартным теплотам образования продуктов сгорания, т.е. для реакций

Н₂ + 0,5 О₂ = Н₂О_(ж) и С + О_2(г) = СО_2(г)

из справочника [8] определяем:

ΔН_{298, сгор ( )} = ΔН_{298, f ( )} = – 285,83 кДж/моль

ΔН_{298, сгор ( )} = ΔH_{298, f ( )} = – 393,51 кДж/моль

ΔН_{298, сгор ( )} = – 1661,05 кДж/моль

ΔН_{f, 298 ( )} = [3(– 393,51)+4(– 285,83)] – [– 1661,05] = – 602,8 кДж/моль

По справочным данным эта величина равна – 668,6 Кдж/моль.

3. Дайте заключение о возможности самопроизвольного протекания химической реакции при Т = 298 К

фермент

молочная кислота пировиноградная к-та

Решение:

Рассчитаем по следствию из закона Гесса:

1. Изменение энтальпии: ΔН⁰_{298, р} = (– 586 + 0) – (– 673) = 87 (кДж)

2. Изменение энтропии: ΔS⁰_{298, p} = (179 + 130) – 192 =117 (Дж/К)
3. Изменение энергии Гиббса по уравнению Гиббса-Гельмгольца (первое приближение):

ΔG⁰₂₉₈ = ΔH⁰₂₉₈ – TΔS = 87·10³ – 298·117 = 52134 (Дж) ~52,1 кДж

реакция самопроизвольно протекать не может, т.к. ΔG⁰₂₉₈ > 0

4. При 1000 К и 1,013·10⁵ Па из исходной смеси, содержащей 1 моль SО₂ и 0,6 моль О₂ при достижении равновесия образовалось 0,22 моль SО₃. Определить Кр для реакции

2SО₂ + О₂ 2SО₃

Решение:

На образование 0,22 моль SО₃, согласно уравнению реакции израсходовано 0,22 моль SО₂ и 0,11 моль кислорода. Запишем число молей

P( ) = n( )·P_общ = (0,78/1,49)·1,013·10⁵ = 5,31·10⁴ Па

Р( ) = n( )·P_общ = (0,49/1,49)·1,013·10⁵ = 3,22·10⁴ Па

P( ) = n( )·P_общ= (0,22/1,49)·1,013·10⁵ = 1,5·10⁴ Па

5. Для реакции: СО + Cl₂ COCl₂ при 600 °С константа равновесия равна 6,386. В каком направлении будет протекать реакция, если в 1 л реакционной смеси находится

а) 1моль СО; 1 моль Cl₂; 4 моль COCl₂

б) 1моль СО; 1 моль Сl; 8 моль COCl₂

в) 1моль СО; 1,565 моль Cl₂; 10 моль COCl₂

Решение:

Воспользуемся уравнением изотермы химической реакции.

а) ΔG = – RTln·6,386 + RT·ln 4

He производя вычислений, а лишь сравнивая величины, стоящие за знаком логарифма, можно сделать вывод, что G < 0. Это значит, что при смешивании реагирующих веществ в указанных соотношениях реакция пойдёт в сторону образования СОCl₂;

б) ΔG = – RTln 6,386 + RTln 8

Сравнив оба слагаемых, можно сделать вывод, что ΔG > 0. Это значит, что при смешивании реагирующих веществ в указанных соотношениях реакция пойдёт в сторону образования СО и Cl₂;

в) ΔG = – RTln 6,386 + RTln 6,386

Сравнив оба слагаемых, можно сделать вывод, что ΔG = 0. В этом случае система находится в состоянии химического равновесия.

6. Рассчитать значение константы равновесия для реакции при стандартных условиях и 1000 К, если изменение энергии Гиббса равно – 100,79 кДж.

0,5 Н_2(г) + 0,5 Сl_2(г) = НCl_(г)

Решение:

Воспользуемся уравнением изотермы при стандартных условиях.

–ΔG_T⁰ = RTlnKp

lgKp = (– ΔG⁰_T) / (2,3·RT) = (–100,79) / (2,3·8,31·1000) = 5,27

Кр = 1,86·10⁵.