Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Химическое сродство




При решении задач этого раздела см. табл. 5-7.

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но, и поглощением теплоты.

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре проходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации). к уменьшению Н; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая - с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.

Энтропия S, так же как внутренняя анергия U, энтальпия Н, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U. H, V обладают аддитивными свойствами, т.е. при соприкосновении системы суммируются. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п., - ведут к уменьшению энтропии. Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изменение (DS) зависит только от начального (S1 и конечного S2) состояния и не зависит от пути процесса:

DS=S2-S1. Если S2> S1, то DS >0. Если S2< S1, то DS <0.

Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка TDS. Энтропия выражается в Дж/ (моль • К). Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку (TS). При р = const и Т = const общую движущую сипу процесса, которую обозначают DG, можно найти из соотношения

Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса. И так, мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса (DG), которая зависит от природы вещества, его количества и от температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому

(3)

Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и. в частности, в сторону уменьшения DG. Если DG < 0, процесс принципиально осуществим; если DG >0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше DG. тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от сос­тояния равновесия, при котором DG =0 и DH= TDS.

Из соотношения DG = DH - TDS.видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых DH > 0 (эндотермические). Это возможно, когда DS > О, но |TDS| > |DH|, и тогда DG < 0. С другой стороны, экзотермические реакции (DH < 0) самопроизвольно не протекают, если при DS < 0 окажется, что DG > G.



 

 


Таблица 6. Стандартная энергия Гиббса образования

DG°298 некоторых веществ

 

Вещество Состояние DG°298 кДж/моль Вещество Состояние DG°298 кДж/моль
ВaСO3 к -1138.8 FeO к -244.3
СaСО3 к -1128,76 Н2O ж -237.19
Fe3O4 к -1014.2 Н2O г -228,89
ВеСО3 к -944,75 РbО2 к -219.0
CaO к -604.2 СО г -137,27
BaO к -581.61 СН4 г -50.79
ВеО к -628.4 NO2 г +51.84
CO2 г -394,38 NO г +86.69
NaCl к -384.03 С2Н2 г +209.20
ZnO к -318.2      

Пример 1. В каком состоянии энтропия 1 моль веществе больше: кристаллическом или парообразном при той же температуре?

Решение: Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристаллах частицы (атомы, ионы) расположены упорядочение и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для rasa таких ограничений шаг. Объем 1 моль газа гораздо больше, чем объем 1 моль кристаллического вещества; возможность хаотичного, движения молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как

количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моль паров вещества больше энтропии 1 моль его кристалов при одинаковой температуре

Пример 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе

СН4 (г) + CO2 (г) ↔ 2CO (г) + 2Н2 (г)

Решение. Для ответа на вопрос следует вычислить DG°298 до прямой реакции. Значения DG°298 соответствующих веществ приведены в табл. 6. Зная, что DG°298 есть функция состояния и что DG°298 для простых веществ, находящихся в устойчивых при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим DG°298 процесса:

DG°298 = 2 (-137.27) + 2 (0) - (-50,79 - 394,38) = + 170,63 кДж.

То что DG°298 > 0, указывает на невозможность самопроизвольного протекания прямой реакции при Т = 298 К и равенстве давлений взятых газов 1,013 -10s Па (760 мм рт. ст. = 1 атм).

Таблица 7. Стандартные абсолютные энтропии 5298

некоторых веществ

Вещество Состояние DS°298 Дж/ (моль • К) Вещество Состояние DS°298 Дж/ (моль • К)
С Алмаз 2.44 Н20 г 188,72
С Графит 5.69 N2 г 191,49
Fe к 27.2 NH3 г 192.50
Ti к 30.7 СО г 197.91
S Ромб 31,9 С2Н2 г 200.82
ТiO2 к 50.3 02 г 205.03
FeO к 54.0 H2S г 205.64
H2O ж 69,94 N0 г 210.20
Fe2O3 к 89.96 С02 г 213.65
NH4CI к 94,5 С2Н4 г 219.45
CH3OH ж 126,8 CI2 г 222,95
H2 г 130.59 N02 г 240,46
Fe3O4 к 146,4 Р03 г 311,66
CH4 г 186.19 РС1$ г 352,71
HCI г 186,68    

 

Пример 3. На основании стандартных теплот образования - (табл. 5) и абсолютных стандартных энтропии веществ (табл. 7) вычислите DG°298 до реакции протекающей по уравнению

 

СО (г) + Н2О(ж) =СО2 (г) + Н2 (г)

 

Решение:DG° = DH° - TDS°; DНи DS - функции состояния, поэтому

 

,

 

DH°х.р. = (-393.51 + 0) - (-110.52 - 285,84) =+2,85 кДж;

 

=(213,65 + 130,59)- (197,91 + 69,94)= + 76,39 = 0,07639 кДж/ (моль • К);

= +2,85 - 298 • 0,07639 = -19,91 к Дж.

 

Пример 4.Реакция восстановления Fe2O3 водородом протекает по уравнению

Fe2O3(к) + ЗН2(г)=2Fe(к) + ЗН20(г); = +96,61 к Дж.

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии S = =0,1387 кДж/ (моль • К) ? При какой температуре начнется восстановление Fe203?

Решение. Вычисляем реакции:

G= Н- TS = 96,61 - 298 • 0.1387 = +55.28 кДж.

Так как G > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; наоборот, при этих условиях идет обратная реакция окисления железа (коррозия). Найдем темпера­туру, при которой G = 0:

Следовательно, при температуре 696,5 К начнется реакция восстановления Fe2O3. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

 

Пример 5. Вычислите Н , S и реакции, протекающей по уравнению

Fe2O3 (к) + ЗС = 2Fe + ЗСО

Возможна ли реакция восстановления Fe2O3 углеродом при температурах 500 и 1000 К?

Решение: и находим из соотношений (1) и (2) так же, как в при­мере 3:

== -331.56 + 822,10 = +490.54 кДж;

= (2 • 27.2 + 3 • 197.91)- (89.96+ 3- 5,69) = 541,1 Дж/К.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения =Н° - TS:

G500 = 490.54 - 500= + 219.99 кДж

G1000 = 490.54 - 1000 = - 50.56кДж

Так как G500 > 0, a G1000 < 0, то восстановление Fe2O3 углеродом возможно при 1000 К и невозможно при 500 К.

Контрольные вопросы

101. Вычислите G0298 для следующих реакций:

а) 2NаF (к) + Cl2 (г) =2NaCl (к) + F2 (г)

б) РbО2 (K)+ 2Zn (к) = Рb (к) + 2ZnO (к)

Можно лм получить фтор по реакции (а) и восстановить РbO2 цинком по реакции
(б) ? Ответ: + 313,94 кДж; -417,4 кДж.

102. При какой температуре наступит равновесие системы

4HCl (г) + 02 (г) 2O (г) + 2Сl2 (г); Н = -114,42 кДж?

Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем и при каких температурах? Ответ: 891 К.

103. Восстановление Fe304 оксидом углерода идет по уравнению

Fe304 (к) + СО (г) = 3FeO (к) + С02 (г)

Вычислите и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно в этом процессе? Ответ: +24,19 кДж; +31,34 Дж/(мoль • К).

104. Реакция горения ацетилена идет по уравнению

С2Н2 (г)+ 5/202 (г)=2СО2 (г) + Н20 (ж)

Вычислите и.Объясните уменьшение энтропии в результате этой
реакции. Ответ: -1235,15 кДж; -216,15 Дж/(мoль • К).

105. Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар;
б) графита в алмаз? Почему? Вычислите Для каждого превращения. Сделайте
вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических пре­
вращениях.

Ответ: а) 118,78 Дж/ (моль • К); б) -3,25 Дж/ (моль • К).

106. Чем можно объяснить что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция?

Н2 (г) + С02 (г) =СО (г) + Н20 (ж); Н = -2,85 кДж?

Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствую­щих веществ, определите этой реакции. Ответ: +19,91 кДж.

107. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях
в системе

2NO(г) + 02(г) 2N02(г)

Ответ мотивируйте, вычислив прямой реакции. Ответ: -69,70 кДж.

108. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандарт-
ных энтропий соответствующих веществ, вычислите реакции, протекающей по
уравнению

NH3(г) + HCl(г) = NH4Cl(к)

Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно?

Ответ: -92,08 кДж.

109. При какой температуре наступит равновесие системы

СО (г) + 2Н2 (г) СН3ОН (ж); Н = -128,05 кДж?

Ответ. 385,5 К.

110. При какой температуре наступит равновесие системы

 

 

СН4 (г) + CO2(г) = 2СО(г) + 2H2 (г): = + 247,37 кДж?

Ответ: 961,9 К.

111. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите реакции, протекающей по уравнению

4 NH3 (г) + 502 (г) =4NO (г) + 6Н20 (г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -957,77 кДж

112. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите реакции, протекающей по уравнению

CO2 (г) + 4Н2 (г) = СН4 (г) + 2Н20 (ж)

возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: —130,89 кДж.

113.Вычислите Н , S и -реакции, протекающей па уравнению

Fe2О3 (к) + ЗН2 (г) =2Fe (к) + ЗН20 (г)

Возможна ли реакция восстановления Fe2О3 водородом при температурах 500 и 2000 К?

Ответ: + 96,61 кДж; 138,83 Дж/К; 27,2 кДж; -181,05 кДж.

114. Какие из карбонатов: ВеСО3 или ВаСО3 – можно получить по реакции взаимодействия соответствующих оксидов с СО2 ? Какая реакция идет наиболее энергично? Вывод сделайте, вычислив реакций. Ответ: + 31,24 кДж; -130,17 кДж; -216,02 кДж.

115. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите реакций, протекающих по уравнению

СО (г) + ЗН2 (г) = СН4 (г) + Н20 (г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -142,16 кДж.

116. Вычислите Н , S и -реакции, протекающей по уравнению

ТiO2 (к) + 2С (к) = Ti (к) + 2СО (г)

Возможна ли реакция восстановления TiO2 углеродом при температурах 1000 и 3000 К? Ответ: +722,86 кДж; 364,84 Дж/К; +358,02 кДж; -371,66 кДж.

117.На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных
энтропий соответствующих веществ вычислите реакции, протекающей по
уравнению

C2Н4 (г) + ЗО2 (г) =2С02 (г) + 2Н2О(ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -1331,21 кДж.

118. Определите, при какой температуре начнется реакция восстановления Fe304,
протекающая по уравнению

Fe3О4 (к) + СО (г) = 3FeO (к) + С02 (г); Н = + 34,55 кДж. Ответ: 1102,4 К.

 

119. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида

фосфора, протекающая по уравнению

РС15 (г) = PСl3 (г) + Cl2(г); = +92,59 кДж.

Ответ: 509 К.

120. Вычислите изменение энтропии для реакций, протекающих по уравнениям:

2СН4(г) = С2Н2(г) + ЗН2(г)

N2(г) + 3H2(г) = 2NH3(г)

С (графит) + 02 (г) = С02 (г)

Почему в этих реакциях > 0; <0; 0? Ответ: 220,21 Дж/К; -198,26 Дж/К; 2,93 Дж/К.





Дата добавления: 2014-10-23; Просмотров: 512; Нарушение авторских прав?;


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:





studopedia.su - Студопедия (2013 - 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ip: 54.145.51.250
Генерация страницы за: 0.033 сек.