Термодинамические свойства




МОДУЛЬ 1

Элементы количественного анализа. Способы выражения концентрации растворов. Химическая термодинамика и кинетика.

Занятие № 3

I. Тема: Энергетика химических реакций.

II.Актуальность темы: Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света, энергии.Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, отвечает на вопрос о возможности и направлении процессов, рассчитывает их тепловые эффекты. Полученные знания способствуют более глубокому усвоению многих разделов неорганической химии (химическая кинетика, химическое равновесие, учение о растворах), а также других химических и профильных дисциплин.

III. Цель:

- научиться производить термохимические расчеты, используя термодинамические свойства химических веществ;

- уметь прогнозировать направление химических процессов;

- научиться экспериментально определять энтальпии реакции нейтрализации.

IV. Исходный уровень:

Для усвоения материала темы нужно знать:

1. Типы химических реакций: реакции соединения, разложения, обмена.

2. Тепловой эффект химических реакций.

3. Тепловой эффект при растворении.

4. Электролитическая диссоциация кислот, оснований, солей. Сильные и слабые электролиты.

5. Ионные уравнения.

V.Учебно-целевые вопросы:

1. Основные понятия химической термодинамики.

2. Внутренняя энергия и энтальпия индивидуальных веществ и многокомпонентных систем.

3. Теплота и работа. Теплоты химических реакций при постоянной температуре или P и V.

4. Термохимические уравнения.

5. Закон Гесса. Расчеты изменения стандартных энтальпий химических реакций и физико-химических превращений на основе закона Гесса.

6. Энтропия как мера неупорядоченности системы (уравнение Больцмана)

7. Энергия Гиббса как критерий самопроизвольного протекания процесса. Энтальпийный и энтропийный факторы.

 

VI. После изучения темы студент должен

знать:

основные начала термодинамики, термохимия; значения термодинамических потенциалов (энергий Гиббса и Гельмгольца); следствия из закона Гесса;

уметь:

- интерпретировать термодинамические понятия: система, состояние, свойства, параметры и функции состояния, термодинамические процессы;

- интерпретировать законы термодинамики и термохимии (I, II законы, закон Гесса);

- рассчитывать термодинамические функции состояния системы, тепловые эффекты химических процессов;

- интерпретировать рассчитанные значения термодинамических функций с целью прогнозирования возможности осуществления и направление протекания химических процессов;

- трактовать роль химической термодинамики и энергетики в биологических системах и медицинской практике.

Литература:

1. Ю.А.Ершов, В.А.Попков, А.С. Берлянд. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Под ред. Ершова Ю.А. 10 –е изд. перераб. и доп. 2014 г.560 с.

2. Попков В. А. Общая химия: учебник/ В. А. Попков, С. А. Пузаков. -М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. -976 с.: ил.

3.Учебное пособие по общей и неорганической химии для самостоятельной работы студентов 1 курса фармацевтического факультета. Оренбург, 2009.- с. 74 – 84.

 

 

Эталоны решения задач

1. Некоторая реакция протекает с уменьшением энтропии. Определить, при каком условии возможно самопроизвольное протекание данной реакции.

Решение.

Условием самопроизвольного протекания реакции является уменьшение свободной энергии Гиббса, т.е. DG < 0. Изменение DG можно рассчитать по формуле:

DG =DH - T×DS

Так как в ходе реакции энтропия уменьшается (DS < 0), то энтропийный фактор препятствует самопроизвольному протеканию данной реакции. Таким образом, самопроизвольное протекание данной реакции может обеспечить только энтальпийный фактор. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

1) DH < 0 (реакция экзотермическая);

2) (процесс должен протекать при низких температурах).

2. Эндотермическая реакция разложения протекает самопроизвольно. Оценить изменение энтальпии, энтропии и величины свободной энергии Гиббса.

Решение.

1) Так как реакция эндотермическая, то DH > 0.

2) В реакциях разложения энтропия возрастает, следовательно DS > 0.

3) Самопроизвольное протекание реакции свидетельствует о том, что DG < 0.

3. Вычислить стандартную энтальпию хемосинтеза, протекающего в бактериях Thiobacillus denitrificans:

6KNO3(тв.) + 5S(тв.) + 2CaCO3(тв.) = 3K2SO4(тв.) + 2CaSO4(тв.) + 2CO2(газ) + 3N2(газ)

по значениям стандартных энтальпий образования веществ:

  K2SO4 CaSO4 CO2 KNO3 CaCO3
, кДж/моль -1438 -1432 -393,5 -493 -1207

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

Решение.

Запишем выражение первого следствия из закона Гесса с учетом того, что стандартные энтальпии образования серы и азота равны нулю:

= (3× K2SO4+ 2× CaSO4+ 2× CO2) -

- (6× KNO3+ 2× CaCO3).

Подставим значения стандартных энтальпий образования веществ:

= 3×(-1438) + 2×(-1432) + 2×(-393,5) - (6×(-493) + 2×(-1207)).

Получим:

=-2593 кДж.

Так как < 0, то реакция экзотермическая.

4. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

2C2H5OH(жидк.)= C2H5OC2H5(жидк.)+H2O(жидк.)

по значениям стандартных энтальпий сгорания веществ:

C2H5OH=-1368 кДж/моль;

C2H5OC2H5=-2727 кДж/моль.

Решение.

Запишем выражение второго следствия из закона Гесса с учетом того, что стандартная энтальпия сгорания воды (высший оксид) равна нулю:

= 2× C2H5OH - C2H5OC2H5.

Подставим значения стандартных энтальпий сгорания веществ, участвующих в реакции:

= 2×(-1368) -(-2727).

Получим:

=-9 кДж.

 

 

Следствия из закона Гесса позволяют вычислять не только стандартные энтальпии реакций, но и величины стандартных энтальпий образования и сгорания веществ по косвенным данным.

5. Определить стандартную энтальпию образования оксида углерода (II) по следующим данным:

(1) C(тв.)+ О2(газ)= СО2(газ); =-393,5 кДж/моль;
(2) СО(газ)+ О2(газ)= СО2(газ); =-283 кДж/моль.

Решение.

Из уравнения (1) видно, что стандартное изменение энтальпии данной реакции соответствует стандартной энтальпии образования CO2.

Запишем выражение первого следствия из закона Гесса для реакции (2):

= CO2- CO.

Отсюда:

CO = CO2- .

Подставим значения и получим:

CO =-293,5 -(-283) =-110,5 кДж/моль.

Эту задачу можно решить и другим способом.

Вычитая из первого уравнения второе, получим:

(1) - (2) C(тв.)+ О2(газ)= СО(газ); CO =-110,5 кДж/моль.

6. Вычислить стандартную энтропию реакции:

CH4(газ)+Cl2(газ)= CH3Cl(газ)+HCl(газ),

по значениям стандартных энтропий веществ:

  CH3Cl HCl CH4 Cl2
, Дж/(моль×K)        

 

Решение.

Стандартную энтропию реакции вычислим по формуле:

= ( CH3Cl + HCl) -( CH4+ Cl2).

Подставляя табличные значения, получим:

= 234 + 187 - (186 + 223) = 12 Дж/(моль×K).

7. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции:

C2H5OH(жидк.)+H2O2(жидк.)=CH3COH(газ)+ 2H2O(жидк.)

по следующим данным:

  CH3COH C2H5OH H2O H2O2
, кДж/моль -129 -175 –237 –121

Определить, возможно ли самопроизвольное протекание данной реакции при стандартных условиях.

Решение.

Стандартную энергию Гиббса реакции вычислим по формуле:

= ( CH3COH + 2× H2O) - ( C2H5OH + H2O2).

Подставляя табличные значения, получим:

=-129 +2×(-237) - ((-175) + (-121) =-307 кДж/моль.

Так как < 0, то самопроизвольное протекание данной реакции возможно.

8. Рассчитать стандартную энергию Гиббса для реакции окисления глюкозы:

С6H12O6(тв.)+ 6O2(газ)= 6CO2(газ)+ 6H2O(жидк.).

по известным данным:

  H2O CO2 С6H12O6 O2
, кДж/моль -286 -393,5 –1274,5  
, Дж/(моль×K)        

 

Решение.

Значения стандартных энтальпии и энтропии реакции рассчитаем при помощи первого следствия из закона Гесса:

= 6 CO2+ 6 H2O - С6H12O6-6 O2=

= 6×(-393,5) + 6×(-286) - (-1274,5) -6×0 =-2803 кДж;

= 6 СО2+ 6 H2O - С6H12O6- 6 O2=

= 6×214 + 6×70 - 212 - 6×205 = 262 Дж/К = 0,262 кДж/К.

Стандартную энергию Гиббса реакции найдем из соотношения:

= -T× =-2803 кДж - 298,15 K×0,262 кДж/К =

=-2881 кДж.

9. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции гидратации сывороточного альбумина при 250С, для которой DH0 =-6,08 кДж/моль, DS0 = -5,85 Дж/(моль×К). Оценить вклад энтальпийного и энтропийного фактора.

Решение.

Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитаем по формуле:

DG0=DH0- T×DS0.

Подставив значения, получим:

DG0=-6,08 кДж/моль - 298 К×(-5,85×10-3) кДж/(моль×К) =

=-4,34 кДж/моль.

В данном случае энтропийный фактор препятствует протеканию реакции, а энтальпийный - благоприятствует. Самопроизвольное протекание реакции возможно при условии, если , т.е., при низких температурах.

 

Варианты задач для самостоятельного решения

Вариант № 1

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

4NH3(газ)+ 5O2(газ)= 4NO(газ)+ 6H2O(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

  NH3 NO H2O
, кДж/моль -46,2 90,4 -242

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

С2H6(газ)+H2(газ)= 2CH4(газ),

используя значения стандартных энтальпий сгорания веществ:

  C2H6 CH4
, кДж/моль -1560 -890
     

Вариант №2

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

2NO2(газ)+O3(газ)=O2(газ)+N2O5(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

  NO2 N2O5 O3
, кДж/моль      

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

С2H2(газ)+ 2H2(газ)=C2H6(газ),

используя значения стандартных энтальпий сгорания веществ:

  C2H2 C2H6
, кДж/моль -1300 -1560

Вариант №3

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции гидрирования бензола до циклогексана двумя способами, т.е., используя значения стандартных энтальпий образования и сгорания веществ:

  C6H6 C6H12
, кДж/моль   -156
, кДж/моль -3268 -3920

2. Оценить возможность самопроизвольного протекания реакции:

Cu(тв.)+ZnO(тв.)=CuO(тв.)+Zn(тв.)

при стандартных условиях, если:

  ZnO CuO Zn Cu
, кДж/моль -348 -157    
, Дж/(моль×K)        

Вариант №4

1. Вычислить стандартную энтальпию хемосинтеза, протекающего в автотрофных бактериях Baglatoa и Thiothpix, по стадиям и суммарно:

2H2S(газ)+ O2(газ)= 2H2O(жидк.)+ 2S(тв.);

2S(тв.)+ 3O2(газ)+ 2H2O(жидк.)= 2H2SO4(жидк.),

если:

  H2S H2O H2SO4
, кДж/моль -20 -286 -814

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

С6H12O6(тв.)= 2C2H5OH(жидк.)+ 2CO2(газ),

используя значения стандартных энтальпий сгорания веществ:

  C6H12O6 C2H5OH
, кДж/моль -2810 -1368
     

Вариант №5

1. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

2CH3Cl(газ)+ 3O2(газ)= 2CO2(газ)+ 2H2O(жидк.)+ 2HCl(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

  CH3Cl CO2 H2O HCl
, кДж/моль -82 -394 -286 -92

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

С6H6(жидк.)+ 3H2(газ)=C6H12(жидк.),

используя значения стандартных энтальпий сгорания веществ:

  C6H6 C6H12
, кДж/моль -3302 -3920

Вариант №6

1. Вычислить тепловой эффект реакции образования кристаллогидрата CuSO4×5H2O, протекающей по уравнению:

CuSO4(тв.)+ 5H2O(жидк.)=CuSO4×5H2O(тв.),

если известно:

  CuSO4×5H2O CuSO4 H2O
, кДж/моль -2278 -662 -286

2. Вычислить стандартную энтропию реакции:

С6H6(жидк.)+ 3H2(газ)=C6H12(жидк.),

по известным данным:

  C6H6 C6H12 H2
, Дж/(моль×K)      
  Вариант №7          

1. Определить возможность протекания реакции:

P2O5(тв.)+ 3H2О(жидк.)= 2PH3(газ)+ 4O2(газ),

при стандартных условиях, если:

  P2O5 PH3 H2O
, кДж/моль -1350 13,4 -237

2. Вычислить стандартную энтропию реакции:

3HNO2(водн. р-р)=HNO3(жидк.)+ 2NO(газ)+H2О(жидк.),

по известным данным:

  HNO2 HNO3 NO H2O
, Дж/(моль×K)          
         

Вариант №7

1. Определить температуру, при которой самопроизвольно будет протекать реакция:

CO(газ)+ 2H2(газ)= CH3OH(жидк.),

если: =-128 кДж; =-333 кДж/K.

 

2. Вычислить стандартную энергию Гиббса реакции денатурации трипсина при 500С, для которой DH0= 283 кДж, DS0= 288 Дж/К). Оценить возможность протекания процесса в прямом направлении.

Вариант №8

1. Вычислить стандартную энтальпию образования MgCO3 по следующим данным:

MgO(тв.)+CO2(газ)=MgCO3(тв.)+118 кДж;

С(графит)+O2(газ)=CO2(газ)+393,5 кДж;

H2(газ)+ 0,5O2(газ)=H2O(жидк.)+286 кДж.

2. Вычислить стандартную энтропию реакции:

С2H6(газ)+H2(газ)= 2CH4(газ)

по известным данным:

  C2H6 CH4 H2
, Дж/(моль×K)      

 

Вариант №9

1. Вычислить стандартную энтальпию образования Ca3(PO4)2 по следующим данным:

3CaO(тв.)+P2O5(тв.)=Ca3(PO4)2(тв.)DH0=-739 кДж;

P4(тв.)+ 5O2(газ)= 2P2O5(тв.)DH0=-2984 кДж;

Ca(тв.)+ 0,5O2(газ)= CaO(тв.)DH0=-636 кДж.

2. Оценить возможность самопроизвольного протекания реакции:

Fe2O3(тв.)+ 3CO(газ)= 2Fe(тв.)+3CO2(газ)

при стандартных условиях, если:

  Fe2O3 CO2 CO Fe
, кДж/моль -842 -393,5 -111  
, Дж/(моль×K)        

 

Вариант №10

1. Вычислить стандартную энтальпию образования этанола по следующим данным:

DH0сгор.C2H5OH =-1368 кДж/моль;

С(графит)+O2(газ)=CO2(газ)+393,5 кДж;

H2(газ)+ O2(газ)=H2O(жидк.)+286 кДж.

2. Вычислить стандартную энтропию реакции:

С2H2(газ)+ 2H2(газ)=C2H6(газ),

по известным данным:

  C2H6 C2H2 H2
, Дж/(моль×K)      

 

Вариант №11

1. Вычислить стандартную энтальпию образования С2H4 по следующим данным:

С2H4(газ)+ 3O2(газ)= 2CO2(газ)+ 2H2O(жидк.)+1323 кДж;

С(графит)+O2(газ)=CO2(газ)+393,5 кДж;

H2(газ)+ 0,5O2(газ)=H2O(жидк.)+286 кДж.

2. Не производя вычислений, установить знак DS0 следующих процессов:

1) 2NH3(газ)=N2(газ)+ 3H2(газ);

2) CO2(кр.)=CO2(газ);

3) 2NO(газ)+ O2(газ)= 2NO2(газ).

Вариант №12

1. Вычислить стандартную энтальпию образования ZnSO4 по следующим данным:

2ZnS + 3O2= 2ZnO + SO2DH0=-890 кДж;

2SO2+ O2= 2SO3DH0=-196 кДж;

ZnSO4= ZnO + SO3DH0=+234 кДж.

2. Вычислить стандартную энтропию реакции:

2KClO3(тв.)= 2KCl(тв.)+ 3O2(газ)

по известным данным:

  KClO3 KCl O2
, Дж/(моль×K)      

 

Вариант №13

 

1. Вычислить стандартную энтропию реакции:

С6H6(жидк.)+ 3H2(газ)=C6H12(жидк.),

по известным данным:

  C6H6 C6H12 H2
, Дж/(моль×K)      

 

2. Определить возможность протекания реакции:

P2O5(тв.)+ 3H2О(жидк.)= 2PH3(газ)+ 4O2(газ),

при стандартных условиях, если:

  P2O5 PH3 H2O
, кДж/моль -1350 13,4 -237

 

Вариант №14

1. Вычислить стандартную энтропию реакции:

3HNO2(водн. р-р)=HNO3(жидк.)+ 2NO(газ)+H2О(жидк.),

по известным данным:

  HNO2 HNO3 NO H2O
, Дж/(моль×K)        

 

2. Определить температуру, при которой самопроизвольно будет протекать реакция:

CO(газ)+ 2H2(газ)= CH3OH(жидк.),

если: =-128 кДж; =-333 кДж/K.

Вариант №15

 

 

1. Рассчитать тепловой эффект реакции для стандартных условий (Н0)

3Mn3O4 + 8Al→ 4Al2O3 + 9Mn

если известно: Н0298(Mn3O4) = - 1385 кДж/моль

Н0298(Al2O3) = - 1675 кДж/моль

 

2. Определите G следующего процесса:

Fe3O4(к) + 4CO(г) = 3Fe + 4CO2(г), если

G (Fe3O4(к)) = -1014 кДж/моль

G (CO(г)) = -137,2 кДж/моль

G (CO2(г)) = -394 кДж/моль

Возможно ли самопроизвольное протекание процесса в стандартных условиях?

Вариант №16

1.Реакция горения этана выражена термодинамическим уравнением:

C2H6(г) + 3,5 O2(г) = 2 CO2(г) + 3 H2O(ж);

= -1559,87 кДж/моль. Вычислите энтальпию образования этана, если известны стандартные энтальпии образования:

CO2 (г) = -393,57 кДж/моль

H2O(ж) = -285,84 кДж/моль

H2O(ж) = -285,84 кДж/моль

2.На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий (таблица 1) соответствующих веществ вычислите изменение энергии Гиббса

CO(г) + 3H2(г) = CH4(г) + H2O(г), а так же определите возможность протекания данной реакции в прямом направлении при стандартных условиях.

Вариант №17

1.На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий (таблица 1) соответствующих веществ вычислите изменение энергии Гиббса

2H2O2(ж) = 2H2O(ж) + O2(г)

а так же определите возможность протекания данной реакции в прямом направлении при стандартных условиях.

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

4NH3(газ)+ 5O2(газ)= 4NO(газ)+ 6H2O(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

  NH3 NO H2O
, кДж/моль -46,2 90,4 -242

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

Вариант №18

1. На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий (таблица 21) соответствующих веществ вычислите изменение энергии Гиббса

N2(г) + 3H2(г) = 2NH3(г)

а так же определите возможность протекания данной реакции в прямом направлении при стандартных условиях.

2. Вычислить стандартную энтальпию реакции:

2CH3Cl(газ)+ 3O2(газ)= 2CO2(газ)+ 2H2O(жидк.)+ 2HCl(газ),

используя значения стандартных энтальпий образования веществ:

  CH3Cl CO2 H2O HCl
, кДж/моль -82 -394 -286 -92

Определить, к какому типу (экзо- или эндотермическому) относится эта реакция.

 

Таблица 1.

 

Термодинамические свойства

 

Вещество , кДж/моль S , Дж/(моль.К) Вещество D Н , кДж/моль S , Дж/(моль.К)
Ag     Ba    
AgCl -127   BaCO3 -1201  
AgNO3 -124   BaO -538  
Al     BaSO4 -1458  
Al2O3 -1675   ВeO -607  
Al(OH)3 -1295   Be(OH)2 -905  
Al2S3 -509   Br2 (г) +31  
AsH3 (г) +171   Br2(ж)    
B     C (граф)    
В2О3 -1272   C (алм) +2  
H3BO3 -1094   СН4(г) -75  
B2H6(г) +35   С2Н6(ж) +226  
С6Н6(ж) +49   Н2О (к) -292  
С2Н5ОН (ж) -277   Н2О2(ж) -187  
СН3СНO (ж) -296   Н2S(г) -21  
СН3СООН (ж) -484   Н2Se(г) +30  
С6Н12О6 -1273   Н2Te(г) +99  
С12Н22О11 -2221   I2(к)    
CH3-OH(ж) -239   I2(г)    
С2Н2(г) +227   K2O -363  
С2Н4(г) +52   KOH -425  
CO (г) -110   KCl -437  
СО2(г) -393   KClO3 -399  
Ca     MgO -601  
СаО -635   Mg(OH)2 -925  
Са(OH)2 -985   MgCO3 -1069  
CaCO3 -1207   N2(г)    
Ca3(PO4)2 -4125 236- NH3(г) -46  
Cl2(г)     NH4Cl -315  
Cl2O7(г) +76   (NH4)Cr2O7 -1808 -
Cr2O3 -1141   NH4NO3 -366  
Cu(NO3)2 -310   NO (г) +91  
CuO -156   NO2(г) +33  
FeO -266   N2O3(г) +83  
Fe2О3 -824   N2O (г) +82  
H2(г)     N2O5(г) +11  
HBr(г) -36   Na2CO3 -1132  
HCl(г) -92   NaCl -411  
HF(г) -271   NaHCO3 -914  
HI(г) +24   Na2O -418  
H2O(г) -242   NaOH -425  
H2O(ж) -286   Na2SO4 -1388  
О2(г)     SO3(г) -396  
О3(г) +143   SiO2 -912  
Рb(NO3)2 -447   SnO2 -581  
PbO -219   SrCO3 -1232  
PbS -101   SrO -604  
PbSO4 -920   Zn    
S (к)     ZnO -351  
S (г) +128   ZnCO3 -812  

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-01-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: