|
p align="left">Закон Гесса: Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении и объеме не зависит от пути реакции (т.е. от промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы (т.е. состоянием исходных веществ и продуктов реакции (газ, жид., тв.)). ДrН0298 - стандартная энтальпия реакции (reaction), тепловой эффект реакции. ДfН0298 - стандартная энтальпия образования (formation) 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях (Т=298К или 25С, Р=1 атм.), на которые указывает знак «0», (кДж/моль). ДсН0298 - стандартная энтальпия сгорания (combustion) 1 моль вещества (до образования СО2, Н2О, и др. продуктов), (кДж/моль). Следствие 1 из закона Гесса: Тепловой эффект химической реакции равен разности между алгебраической суммой теплот образования продуктов реакции и алгебраической суммой теплот образования исходных веществ ДrН0298 =?(nj *ДfН0298)прод - ?(ni* ДfН0298)исх. где, nj и ni - количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль). Следствие 2 из закона Гесса: Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ минус сумма теплот сгорания продуктов реакции ДrН0298 =?(ni* ДсН0298) - ?(nj* ДсН0298) где, ni и nj - количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль). В химических реакциях может одновременно изменяется и энергия системы и ее энтропия, поэтому реакция протекает в том направлении, в котором общая суммарная движущая сила реакции уменьшается. Если реакция происходит при постоянном температуре и давлении, то общая движущая сила реакции называется энергией Гиббса (ДG0) и направление реакции определяется ее изменением. Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнениемДG0T=ДH0T - TДS0TПри стандартной температуреДG0298=ДH 0298- TДS0298ДG0298 - стандартная энергия Гиббса, изменение энергии Гиббса при образовании 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях, (кДж/моль). Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитывают по первому следствию из закона Гесса.?rG 0298= ?(njДfG0298) прод. -? (niДfG0298)исход. ДS0298 - стандартная энтропия 1 моль вещества в стандартном условиях, (Дж/К*моль). Энтропию можно характеризовать как меру беспорядка (неупорядоченности) системы. Эта величина характеризует изменение температуры в системе. Поскольку энтропия - функция состояния системы, ее изменение (ДS) в процессе химической реакции можно подсчитать, используя следствие из закона Гесса. ДrS0298 =? (njДfS0298) прод. -?(niДfS0298)исход где, nj и ni - количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль). ДrS0298 =? (niДfS0298) исход -?(njДfS0298)продгде, ni и nj - количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).ДrS0298 - стандартная энтропия реакции, (Дж/К).ДfS0298 - стандартная энтропия образования химического вещества, (Дж/К*моль).Знак « - » перед членом TДS0298 (энтропийным членом) ставится, для того чтобы при ДH=0 сделать ?G отрицательной величиной ДG<0 - условие самопроизвольного протекания реакции. Если пренебречь изменением ДS0 и ДН0 с увеличением температуры, то можно определить Травн, т.е. температуру, при которой устанавливается химическое равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов, т.е. из условия равновесия реакции ДG=0 имеем 0=ДrH 0298- TДrS 0298, отсюда Следует знать:Если ДS=0 (ДS>0), ДH<0(ДH=0) то ДG <0 - реакция протекает самопроизвольно, процесс протекает в прямом направлении (энергетически выгоден).Если ДS=0(ДS<0), ДH>0 (ДH=0) то ДG>0 - протекание реакции невозможна, возможна только в обратном направлении (энергетически невыгоден).Если ДS=0, ДH=0 ДG=0 - система находится в состоянии равновесия.Примеры решения задач1. Вычислить тепловой эффект реакции получения гидроксида кальцияСаО(т) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(т), если теплота образование СаО(т) равна +635701,5Дж/моль, теплота образования Н2О(ж) +285835,5 Дж/моль и теплота образования Са(ОН)2 +986823 Дж/моль.Решение: Тепловой эффект реакции СаО (т) + Н2О (ж) = Са(ОН)2(т) по первому следствию закона Гесса, будет равен теплоте образования Са(ОН)2(т) минус теплота образования Н2О(ж) и теплота образования (СаО(т)):ДrН0298 =?(nj *ДfН0298)прод - ?(ni* ДfН0298)исх.ДrН0298=1 моль*ДfН0298(Са(ОН)2(т)) - (1 моль ДfН0298(СаО(т)) ++1 моль* ДfН0298(Н2О (ж)))=1 моль*986823 Дж/моль - (1 моль* 635701,5 Дж/моль ++ 1 моль*285835,5 Дж/моль)= 65 286 Дж. Ответ: 65286 Дж.2. Вычислите изменения энергии Гиббса в реакции димеризации диоксида азота при стандартной температуре, при 0 и 100єС. Сделать вывод о направлении процесса.Решение: При стандартной температуре 298 К изменение энтальпии в реакции 2NO2 (г) N2O4(г) равно (первое следствие закона Гесса) ДrН0298 =?(nj *ДfН0298)прод - ?(ni* ДfН0298)исх. Д rН0298 =1 моль* 9660 Дж/моль - 2 моль*33800 Дж/ моль = - 57940 Дж Изменение температуры равно ДrS0298 =? (nДfS0298) прод. -?(nДfS0298)исход = 1 моль*304 Дж/моль*К - -2 моль*234 Дж/моль*К = - 164 Дж/К Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением ДG0T =ДH0T - TДS0T При стандартной температуре ДrG0298=ДH 0298- TДS0298 = - 57940 Дж - (298 К*(-164 Дж/К)) = -9068 Дж/моль Отрицательное значение энергии Гиббса реакции говорит о том, что смещении равновесия вправо (самопроизвольный процесс), т.е. в сторону образования диоксида азота. При 0єС (273К) ДrG0273 = -57940 Дж + 273К* 164 Дж/К = -13168 Дж/моль Более высокое отрицательное значение ДG273 по сравнению с ДG0298 свидетельствует о том, что при 273 К равновесие еще больше смещено в сторону прямой реакции. При 100єС (373 К) ДrG373 = -57940 Дж + 373К*164 Дж/К = 3232 Дж/моль. Положительная величина ДG373 указывает на изменение направления реакции: равновесие смещено влево, т.е. в сторону распада димера N2O4 (реакция невозможна). Ответ: при 0єС (273 К) ДrG273= -13168 Дж/моль, реакция протекает самопроизвольно; при 100єС (373 К) ДrG373= 3232 Дж/моль, реакция невозможна. 3. Составьте термохимическое уравнение горения метана СН4 и рассчитайте объем воздуха, необходимый для сжигания 1моль метана, если известно, что при сгорании 5,6 л метана выделяется 220 кДж теплоты, содержание кислорода в воздухе равно 20%. Решение: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, ?Н<0 Находим количество вещества метана объемом 5,6 л Если при сгорании СН4 количеством вещества 0,25 моль выделяется 220 кДж теплоты, то при сгорании СН4 количеством вещества 1 моль выделяется 880 кДж теплоты. Термохимическое уравнение: СН4 +2О2 = СО2+ 2Н2О+ 880 кДж Из уравнения реакции видно, что на сгорание СН4 количеством вещества 1моль расходуется О2 количеством вещества 2 моль, на сгорание СН4 количеством вещества 0,25 моль расходуется х моль О2, откуда х = 0,5 моль. Кислород количеством вещества 0,5 моль занимает объем 11,2 л. В воздухе 20% кислорода, следовательно, объем воздуха будет равен Ответ: 880 кДж, 56 л. Задачи для самостоятельного решения1. Рассчитайте, какая из ниже перечисленных реакций при стандартных условиях может идти самопроизвольно: а) Fe(к) + Al2O3(к) = Al(к) + Fe2O3(к)б) Al(к) + Fe2O3 (к)= Fe(к) + Al2O3(к)в) CuSO4(к) + 2NH4OH(ж) = Cu(OH)2(к) + (NH4)2SO4(к)г) Al2O3(корунд) + 3SO3 = Al2(SO4)2(к) 2. При сварке трамвайных рельсов используют термитную смесь, которую готовят, смешивая порошки алюминия и оксида железа (III) в количественном отношении 2:1. Термохимическое уравнение горения термитной смеси следующее: 2Al + Fe2O3= Al2O3 + 2Fe + 829,62 кДж. Сколько теплоты выделится при образовании: 1) 4 моль железа; 2) 1 моль железа? 3. Рассчитайте, достаточно ли теплоты, выделяющейся при сгорании 200 кг каменного угля, содержащего 82% углерода, для полного разложения 162 кг карбоната кальция, если для разложения 1 моль СаСО3 необходимо 180 кДж теплоты, а при сгорании 1 моль углерода, входящего в состав каменного угля, выделяется 402 кДж теплоты. 4. Процесс алюминотермии выражается химическим уравнением 8Al + 3 Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe ДH<0. Рассчитайте, сколько теплоты выделится при сгорании 1 кг термита.5. Возможен ли обжиг колчедана массой 1т по следующему уравнению химической реакции 4FeS2 + 11O2 >2 Fe2O3 + 8SO2 ?H<06. Вычислите тепловой эффект образования NH3 из простых веществ, при стандартном условии по тепловым эффектам реакции:2H2 + O2 = 2H2O(ж) ДН01 = -571, 68 кДж, NH3 + 3O2 = 6H2O(ж) + 2N2 ДН02 = -1530,28 кДж.7. Стандартный тепловой эффект реакции сгорания этана равен -1560 кДж. Рассчитайте стандартную теплоту образования этана, если известно, что ДfН0298 (H2O)= -285,84 кДж/моль и ДfН0298(СО2) = -396,3 кДж/моль. 8. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа водородом, пользуясь следующими данными. FeO + CO = Fe + CO2 ДН = -13,19 кДжCO + 1/2O2 = CO2 ДН = -283,2 кДж2H2 + 1/2O2 = 2H2O(г) ДН = -242 кДж9. Протекание, какой из приведенных реакций восстановления оксида железа (III) наиболее вероятно при 298 К.Fe2O3(k) + 3H2(г) = 2Fe(к) + 3H2O(к) Fe2O3(k) + 3С(графит) = 2Fe(к) + 3СO(к) Fe2O3(k) + 3СО(г) = 2Fe(к) + 3СО2(к) 10. В какой их перечисленных ниже реакций тепловой эффект ДН0298 будет стандартной теплотой SO3(г)а) S(г) + 3/2 O2 = SO3(г)а) S(г) + 1/2 O2 = SO3(г)а) S(к) + 3/2 O2 = SO3(г)3.1.2 Химическое равновесие При протекании химической реакции через некоторое время устанавливается равновесное состояние (химическое равновесие). Слово «равновесие» означает состояние, в котором сбалансированы все противоположно направленные на систему воздействия. Тело, находящееся в состоянии устойчивого равновесия, обнаруживает способность возвращаться в это состояние после какого-либо возмущающего воздействия. Примером тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, может служить шарик, лежащий на дне ямки. Если его толкнуть в одну или другую сторону, он вскоре снова возвращается в состояние устойчивого равновесия. В отличие от этого шарик, лежащий на краю ямки, находится в состоянии неустойчивого равновесия -- достаточно ничтожного толчка, чтобы он необратимо скатился в ямку. Оба этих примера являются примерами статического равновесия. В химии, однако, приходится сталкиваться не столько со статическими равновесиями, столько с динамическими («подвижными»). Динамическое равновесие устанавливается, когда оказываются сбалансированными два обратимых или противоположных процесса. Динамические равновесия подразделяют на физические и химические. Наиболее важными типами физических равновесий являются фазовые равновесия. Система находится в состоянии химического равновесия, если скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
|
