Основные термодинамические величины, используемые для решения задач

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

Внутренняя энергия	U, кДж/моль	Полная энергия системы, равная сумме кинетической, потенциальной и других видов энергии всех частиц этой системы. Это функция состояния, приращение которой равно теплоте, полученной системой в изохорном процессе
Работа	А, кДж/моль	Энергетическая мера направленных форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой
Теплота	Q, кДж/моль	Энергетическая мера хаотических форм движения частиц в процессе взаимодействия системы с окружающей средой.
Первый закон термодинамики	∆ Q =∆ U + A	Теплота, подведенная к системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил окружающей среды
Энтропия	S, Дж/(моль∙ К) ∆ S =Q / T, ∆ S⁰_р_-ции=∑ n_i S_i⁰₍_прод_).- ∑ n_i S_i⁰_(исх.)	Функция состояния, характеризующая меру неупорядоченности системы
Энтальпия	Н, кДж/моль ∆ Н =∆ U + p∆ V	Функция состояния, характеризующая энергетическое состояние системы в изобарных условиях
Энтальпия реакции (следствие из закона Гесса)	∆ Н⁰_р-ции =∑ n_i Н_i⁰_(прод).- ∑ n_i Н_i⁰_(исх.)i⁰	Тепловой эффект реакции при изобарных условиях зависит от природы и состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути по которому протекает реакция
Энергия Гиббса	G, кДж/моль ∆ G = ∆ H- T∆ S ∆ G⁰_р-ции =∑ n_i G _i⁰_(прод).- ∑ n_i G_i⁰₍_исх_.)i⁰	Свободная энергия, функция состояния системы, учитывающая энергетику и неупорядоченность системы в изобарных условиях

Решение типовых задач

Алгоритм действия по вычислению энтальпии реакции:

1. Запишем уравнение

2. Выпишем n

3. Выпишем значения DН⁰

4. Проведем расчеты по формуле: DН⁰_реак= å DН⁰_прод-å D Н⁰_исх

Задача 1. Определить тепловой эффект реакции взаимодействия оксида алюминия и оксида серы (VI) с образованием соли – сульфата алюминия.

Al₂O₃ _(т) + 3SO₃ _(т) = Al₂(SO₄)₃ _(т) Выпишем n и DН⁰

n 1 3 1

DН⁰₂₉₈-1676 -396 -3442

DН⁰_реак= å (n ∙ DН⁰_прод) - å (n∙ D Н⁰_исх);

где å - знак суммирования;

n – стехиометрические коэффициенты;

DН⁰- стандартные энтальпии образования химических веществ;

Алгоритм действия по вычислению энтальпии реакции:

1) Составляем уравнение реакции, правым нижним индексом указываем агрегатное состояние веществ.

2) По таблице приложения находим значения DН⁰₂₉₈образования Al₂O₃, SO₃, Al₂(SO₄)₃ и под каждым химическим символом в уравнении реакции подписываем значение DН⁰₂₉₈, взятое из таблицы с множителем, равным стехиометрическому коэффициенту;

3) Суммируем все значения энтальпий продуктов реакции и вычитаем из них сумму энтальпий исходных веществ.

4) Расчет: DН= (-3442) – [1× (-1676) + 3× (-396)]= -578 кДж, т.е. реакция экзотермическая

Ответ: DН= -578 кДж.

Задача 2. Какой знак имеет DН, DS и TDS для экзотермической реакции:

2Н₂ (г) + О₂ (г) = 2Н₂О (г)

n 2 1 2

Ответ: реакция экзотермическая, т.е. DН < 0.

При ее протекании объем системы уменьшается (из 3 моль газообразных веществ образуется 2 моль), т.е. DS< 0, поэтому TDS< 0.

Задача 3. В каком направлении – прямом или обратном – протекает реакция 2Н₂ (г) + О₂ (г) = 2Н₂О (г)

при:

а) Т=298⁰К (25⁰С), если DН= -484 кДж, TDS= -26 кДж

б) Т=1000⁰К (737⁰С), если DН= -484 кДж, TDS= -890 кДж

Решение:

Реакция возможна, если удовлетворяется условие: DН - TDS < 0

Подставим значения DН и TDS в это выражение.

а) при Т=298⁰К: -484-(-26) = -458 кДж,

т.е. реакция протекает в прямом направлении, ее осуществление обуславливает энтальпийный фактор.

б) Т=1000⁰К: -484-(-890) = 406 кДж,

в прямом направлении реакция невозможна из-за энтропийного фактора TDS (по абсолютной величине) > DН.

Задача 4.

Возможно ли протекание реакции восстановления оксида железа (III) водородом при стандартных условиях, если DS=0, 1387 кДж/моль ⁰К? При какой температуре будет проходить этот процесс?

Fe₂O₃+ 3H₂ = 2 Fe + 3H₂O, DH=96, 61 кДж

Решение:

DG = DH-TDS = 96, 61-298× 0, 1387=55, 28кДж/моль;

в стандартных условиях эта реакция невозможна, т.к. DG > 0, при этих условиях идет коррозия (реакция окисления железа).

Вычислим температуру, при которой эта реакция становится возможной (Равновесие: DG = 0 Þ DН=ТDS).

Отсюда

Ответ: следовательно, при Т~ 696, 5⁰К начинается реакция восстановления оксида железа (III).

Задача 5. Определить направление реакции в системе

CН₄ + СО₂ « 2СО + 2Н₂

Вычислим величину DG⁰₂₉₈ прямой реакции. В таблице находим, что для СН₄ эта величина равна – 50, 85 кДж/ моль, для СО₂ - 394, 37 кДж /моль, для СО – 137, 15 кДж /моль и для Н₂ 0 кДж/моль. Согласно второму следствию из закона Гесса

DG⁰₂₉₈ = [2(- 137, 15) + 2(0)] – [(- 50, 85) + (- 394, 37)] =

= + 170, 92 кДж/моль

Ответ: Так как полученная величина больше нуля, то прямая реакция при стандартном состоянии системы протекать не может.

Задача 6.

Пользуясь справочными данными (см. приложение) рассчитайте изменение энтропии, энергии Гиббса и энтальпии в процессе усвоения в организме человека сахарозы, который сводится к её окислению:

С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} + 12 О_2(г)→ 12 СО_2(г) + 11Н₂О_(Ж)

Дано:

n моль 1 12 12 11

∆ Н⁰ кДж/моль-2222 0 –393, 5 -286

∆ S⁰Д ж/моль 360 205 214 70

∆ G⁰ кДж/моль-1545 0 –394, 4 -237

Решение:

∆ Н⁰_{реакции} = [12∆ Н⁰ _прод.( СО_2(г) )+11 ∆ Н⁰_прод. (Н₂О_(Ж))] -

[∆ Н⁰_исхд. (С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} )+12 ∆ Н⁰ _исх (О_2(г)) ] = [12• (–393, 5) +11 • (-286)] - [ -2222 + 12• 0] = -5646 кДж/моль;

∆ S⁰_{реакции} = [12∆ S⁰ _прод.( СО_2(г) )+11 ∆ S⁰_прод. (Н₂О_(Ж))] -

[∆ S⁰_исхд. (С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} )+12 ∆ S⁰ _исх (О_2(г)) ] = [12 • 214) +(11• 70)] - [360 + 12• 205 ] = + 723 Дж/(моль К)

∆ G⁰_{реакции} = [12∆ G⁰ _прод.( СО_2(г) )+11 ∆ G⁰_прод. (Н₂О_(Ж))] -

[∆ G⁰_исхд. (С₁₂Н₂₂О_{11 (к)} )+12 ∆ G⁰ _исх (О_2(г)) ] = [12 • (–394, 4) +11• (-237)] - [ (-1545 )- 12• 0] = -5794, 8 кДж/моль;

Ответ: ∆ Н⁰_{реакции}= -5646 кДж/моль;

∆ S⁰_{реакции}= + 723 Дж/(моль К);

∆ G⁰_{реакции}= -5794, 8 кДж/моль;

Задания для индивидуальной самостоятельной работы

53. – 77. На основании стандартных энтальпий образования Δ Н⁰₂₉₈ и абсолютных энтропий DS⁰₂₉₈, которые даны в приложении, для каждого варианта веществ, определите:

· Δ Н⁰₂₉₈ реакции, DS⁰₂₉₈ реакции и DG⁰₂₉₈ реакции.

· Сделайте вывод о термодинамической вероятности протекания реакции при стандартных условиях;

· Сформулируйте законы термохимии, которыми вы пользовались при решении этой задачи.

Вариант Уравнение реакции Вариант Уравнение реакции

CO_(г) + H₂O_(ж) → CO_2(г) + H_2(г) 2H₂S + 3 O₂→ 2 H₂O +2SO₂

H₂ + Cl₂ → 2HCl CO + Cl₂ → COCl₂

2C₂H₂ + 5O₂→ 4CO₂+2H₂O 4NH₃+3O₂→ 6H₂O + 2N₂

H₂+CO₂ → CO + H₂O CS₂ + 3O₂ → CO₂ + 2SO₂

CO + 3H₂ → CH₄+ H₂O Fe₂O₃ + 3CO→ 2Fe + +3CO₂

C₂H₄ + 3 O₂ → 2 CO₂ + 2 H₂O 2H₂S + SO₂ → 3S + 2H₂O

4NH₃ +5O₂→ 4 NO + 6 H₂O 2CH₃OH+3O₂→ 2 CO₂ + 4H₂O

NH₃ + HCl → NH₄Cl CO + H₂O → H₂+CO₂

2H₂O₂→ 2 H₂O₊O₂ 2C₂H₆+7O₂ → 4CO₂+6H₂O

2SO₂ + O₂ → 2SO₃ CH₄+2O₂ → CO₂ + 2H₂O

SO₂ + NO₂ → SO₃ + NO 4HCl + O₂ → 2 H₂O +2Cl₂

CH₄ + 4Cl₂→ CCl₄+4HCl 2PH₃ + 4O₂ → P₂O₅+ 3H₂O

SO₂ + 2H₂S → 3S + 2 H₂O

78. Вычислите изменение энтропии при превращении 1 моля льда при -5⁰С в водяной пар при 105⁰С?

79. Вычислите энергию Гиббса при 373К, если Δ Н⁰ реакции 13873 Дж/моль, S = 42, 2 Дж/(моль∙ К)

80. Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и диоксида углерода равен -3135, 58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования бензола.

81. – 86. По приведенным в таблице данным рассчитайте температуру (К), при которой равновероятны оба направления реакции:

Вариант Уравнение реакции Δ Н⁰, кДж ∆ S⁰, Дж/(моль∙ К)

СО_2(г) + С_(т)↔ 2СО_(г) +173 +176

N_{2 (г)} + 3H_2(г) ↔ 2NH_3(г) -92 -201

CO_(г) + H_2(г) ↔ C_(т)+ H₂O_(г) -132 -134

2NO_(г) + O_2(г) ↔ 2NO_(г) -116 -147

PCl_5(г) ↔ PCl₃ _(г) + Cl_2(г) +88 +171

2NO_2(г) ↔ N₂O_4(г) -57 -176

Кинетика

Ответьте на вопросы:

1. В чём заключается кинетическая характеристика химической реакции?

2. Что понимают под скоростью химической реакции?

3. Почему в уравнении мгновенной скорости реакции перед производной стоят два знака?

4. Перечислите факторы, от которых зависит скорость химической реакции.

5. Чем отличается запись кинетического уравнения для гомогенных реакций от гетерогенных?

6. Какая стадия сложной реакции называется лимитирующей?

7. Какая реакция является реакцией первого порядка? Каким уравнением она описывается?

8. В каком случае порядок реакции и молекулярность реакции

а) совпадают, б) не совпадают? Какой случай встречается чаще?

9. Какой физический смысл константы скорости? От каких факторов она зависит?

10. Какова размерность констант скорости реакций первого и второго порядков?

11. Почему в большинстве случаев скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих молекул?

12. Что нужно знать, чтобы рассчитать концентрацию реагента через 20 минут после начала реакции?

13. Почему при повышении температуры скорость реакций возрастает? Что такое энергия активация? Как и для чего её определяют?

14. Какие Вы знаете теории, объясняющие зависимость скорости реакции от температуры? В чем состоит их сходство и различия?

15. В чем сущность теории Аррениуса, описывающей влияние температуры на скорость реакции?

16. В какой зависимости находится скорость реакции от энергии активации? Какие вы знаете источники активации молекул?

17. Перечислите известные Вам виды катализа. В чем состоят особенности каталитических процессов? Покажите на конкретных примерах значение катализа в промышленности и жизни живых существ

18. В чем проявляется специфичность и избирательность катализаторов? Покажите это на примерах.

19. Почему катализаторы не влияют на смещение равновесия?

20. Как различные теории объясняют каталитическое действие? В чем особенности гетерогенного катализа?

21. Какой катализ называется ферментативным? В чем состоят особенности ферментативного катализа? Приведите примеры процессов, протекающих под действием ферментов.

22. Приведите примеры веществ, являющихся ингибиторами нитрификации, ингибиторами окислительно-восстановительных процессов, протекающих при хранении продуктов.

23. Приведите пример химической реакции, для которой была бы желательно, сравнительно низкая энергия активации. В каких случаях желательно иметь более высокую энергию активации?

24. Известно, что в почвах, где произрастают бобовые культуры, происходит превращение азота из воздуха в химически связанную форму, а в зеленых растениях протекает непосредственный синтез белков из нитратов и аммонийных соединений. Почему, при тех же температурах, концентрациях и давлениях перечисленные процессы неосуществимы чисто химическим путем в лабораторных или производственных условиях?

25. Какие реакции называются фотохимическими? Какими количественными закономерностями описываются эти процессы?

26. В чем состоит действие света в фотохимических реакциях?

27. В чем сущность фотосинтеза? Из каких стадий состоит фотохимический процесс?

28. Что такое квантовый выход?

29. В чем сущность закона Гротгуса? Как количество прореагировавшего при фотосинтезе вещества зависит от мощности света и от времени облучения растения?

30. В чем сущность закона фотохимической эквивалентности Эйнштейна?

Задания с выбором ответа

31. В ходе химической реакции тепловая энергия реакционной системы:

а) не изменяется; б) поглощается

в) выделяется; г) может поглощаться и выделяться.

32. Скорость химической реакции характеризует:

а) изменение количеств веществ за единицу времени в единице объёма или единице площади;

б) время, за которое заканчивается химическая реакция;

в) число структурных единиц вещества, вступивших в химическую реакцию;

г) движение молекул или ионов реагирующих веществ относительно друг друга.

33. Скорость химической реакции между цинком и кислотой зависит от:

а) понижения давления;

б) природы кислоты;

в) повышения давления;

г) присутствия катализатора.

34. При увеличении температуры на 30⁰ скорость реакции возрастет в 8 раз. Чему равен температурный коэффициент реакции?

а) 8; б) 2; в) 3; г) 4

35. Скорость прямой реакции N₂ + 3H₂ = 2NH₃ + Q возрастает при:

а) увеличение концентрации азота;

б) уменьшение концентрации азота;

в) увеличение концентрации аммиака;

г) уменьшение концентрации аммиака

36. Во сколько раз изменится скорость реакции 2 А + Б = 2С, если концентрацию вещества А уменьшить в 2 раза?

а) увеличится в 4 раза; б) уменьшится в 2 раза

в) уменьшится в 4 раза; г) увеличится в 2 раза.

37. Химическое равновесие – это состояние обратимой реакции, при котором:

а) константы скоростей прямой и обратной реакции равны

б) концентрации реагентов и продуктов реакции равны

в) скорости прямой и обратной реакций равны

г) скорость обратной реакции равна нулю

38. Катализатор:

а) увеличивает число столкновений молекул реагентов в единицу времени

б) увеличивает скорости движения молекул реагентов

в) уменьшает энергию активации реакции

г) увеличивает тепловой эффект реакции

39. Во сколько раз изменится скорость реакции 2А + В = 2С, если концентрации веществ А и Б увеличить в 2 раза?

а) увеличится в 8 раза; б) уменьшится в 8 раза;

в) уменьшится в 4 раза; г) увеличится в 4 раза.

40. Что характеризует изменение концентрации реагирующих частиц:

а) скорость реакции; б) порядок реакции;

в) молекулярность; г) энергию активации.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒
Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 1528; Нарушение авторского права страницы