Термодинамика химических процессов. Строение вещества (Задания для практических занятий)

Задание для практических занятий

Тема: Термодинамика химических процессов

Задача №1. При соединении 1,9 г алюминия с кислородом выделилось 31,1 кДж. Рассчитать энтальпию образования оксида алюминия.

Решение:

Так как тепло выделилось реакция горения алюминия в кислороде является экзотермической реакцией и выражается термохимическим уравнением

4Al(тв) + O2(г) =2Al2O3(тв) ΔΗ<0

Энтальпия образования сложного вещества принимается равной энтальпии реакции образования одного моль этого вещества из простых веществ.

Термохимическое уравнение запишется

2Al(тв) +3/2O2(г) =Al2O3(тв)  ∆H  < 0

Как видно из термохимического уравнения для образования одного моля оксида алюминия необходимо израсходовать 2 моля алюминия. Два грамм-моля алюминия имеют массу 54 г. (см. Периодическую систему Д.И.Менделеева).

Составим соотношение:

1,9г алюминия   -    ΔΗ реакции 31, 1 кДж.

54 г алюминия    -  ΔΗ реакции   X    кДж

X (тепловой эффект реакции) = (-31, 1) ·54 / 1,9 = –883,9 кДж/моль

Ответ. Энтальпия образования    оксида  алюминия равна –883,9 кДж/моль, т.к. это тепловой эффект образования одного моля этого вещества из простых веществ.

Задача №2. Рассчитать тепловой эффект реакции. Сделать вывод о необходимости подвода или отвода тепла для поддержания постоянной температуры реактора, в котором протекает процесс:
С2Н2/г/ + О2/г/ → СО2/г/ + Н2О/г/

Решение:

Из термохимического уравнения следует, что в реакции участвуют и образуются вещества в количестве:

                                 С2Н2(г) + 2¹/₂O₂(г) → 2СО2(г) + Н2О(г)

число молей:               1               2¹/₂           2            1

Из таблицы термодинамических функций (см. табл. 2) находим, что энтальпия образования веществ в стандартных условиях (ΔΗ°₂₉₈) равна

ΔΗ°₂₉₈  кДж/моль:   226,75           0          -393,51       -241,81

Используя уравнение расчета энтальпии реакции

ΔΗ°_{реакции} =[2· ΔΗ°_СO2 + 1·ΔΗ°н₂о] – [1 · ΔΗ°_С2Н2  + 2,5 · ΔΗ°о₂],  находим

ΔΗ°_{298 реакции}   = [2 · (-393,51) + 1 · (-241,81)] – [1 · (226,75) + 2,5· 0] = -1255, 58 кДж/моль.

Ответ. Тепловой эффект реакции равен -1255, 58 кДж/моль. Данная реакция является экзотермической, так как  сопровождается выделением тепла. Следовательно, необходимо отводить тепло для поддержания постоянной температуры в реакторе.

Задача №3. Указать возможность самопроизвольного протекания при стандартных условиях процесса:
СаО/тв/ + СО2/г/ → СаСО3/тв/

Решение:

Значение энергии Гиббса является критерием самопроизвольности протекания химических реакций в прямом или обратном направлении:

при ΔG < 0 /реально меньше –2/ реакция идет самопроизвольно в прямом направлении.

Из термохимического уравнения следует, что в реакции участвуют и образуются вещества в количестве:

СаО(тв) + СО2(г) → СаСО3(тв)

Число молей:                              1               1                  1              

Из таблицы термодинамических функций (см. табл. 2) находим, что энергия Гиббса  образования веществ в стандартных условиях равна

ΔG°₂₉₈ кДж/моль            -603,46       -394,37           -1128,35

Используя уравнение расчета энтальпии реакции

ΔG°_{298 реакции}   = [1· ΔG° _СаСО3] – [1 · ΔG°_СО2  + 1 · ΔG°_СаО], 

находим

ΔG°_{298 реакции}   = [1 · (-1128,35)] – [1· (-394,37) + 1· (-603,46)] = -130,52 кДж/моль

Ответ.Энергия Гиббса реакции в стандартных условиях меньше нуля.  Это указывает, что данная реакция самопроизвольно идет в прямом направлении.

Задача №4. Рассчитать температуры, при которых возможно самопроизвольное протекание процесса. В расчете принять, что процесс начинается при значении энергии Гиббса равной нулю.
Al2О3/тв/ + CO/г/ → Al/тв/ + СО2/г/

Решение:

Значение энергии Гиббса является критерием самопроизвольности протекания химических реакций в прямом или обратном направлении:

при ΔG < 0 /реально меньше –2/ реакция идет самопроизвольно в прямом направлении.

Абсолютное значение энергии Гиббса системы определить невозможно и поэтому рассчитывают изменение энергии Гиббса /ΔG/.

ΔG = ΔН − Т · ΔS

Следовательно, чтобы рассчитать температуры необходимо решить уравнение

Т ≥ ΔН/ ΔS

Из термохимического уравнения следует, что в реакции участвуют и образуются вещества в количестве:

Al2О3(тв) + 3CO(г) → 2Al(тв) + 3СО2(г)

Число молей                         1                 3              2            3

Из таблицы термодинамических функций (см. табл. 2) находим, что энтальпия образования веществ в стандартных условиях (ΔΗ°₂₉₈) равна

ΔΗ°₂₉₈  кДж/моль:        -1675,69           -110,53         0       -393,51

Используя уравнение расчета энтальпии реакции

ΔΗ°_{реакции} =[3· ΔΗ°_СO2 + 2·ΔΗ° Al] – [3 · ΔΗ°_CO  + 1 · ΔΗ°Al_2O3],  находим

ΔΗ°_{298 реакции}   = [3 · (-393,51) + 2 · (0)] – [3 · (-110,53) + 1·(-1675,69)] =  826,75 кДж/моль.

Из таблицы термодинамических функций (см. табл. 2) находим, что энтропия веществ в стандартных условиях равна