Химическая термодинамика 1 страница

Тема 5. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

План занятия

Химическая термодинамика. Понятие химической системы. Типы химических систем: открытые, закрытые, изолированные. Равновесное состояние системы. Типы термодинамических процессов: обратимые, необратимые, самопроизвольные, равновесные. Основные понятия термодинамики: внутренняя энергия, работа, теплота. Первый закон термодинамики. Понятие энтальпии. Тепловой эффект реакции, экзотермические и эндотермические реакции. Термохимические уравнения и их особенности. Стандартные теплоты образования веществ. Закон Гесса, следствие из закона Гесса. Понятие энтропии. Второй и третий закон термодинамики. Самопроизвольные процессы. Энтальпийный и энтропийный факторы химических реакций. Энергия Гиббса.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Тепловой эффект реакции Q (кДж) – количество тепла, выделяющееся или поглощающееся в процессе химической реакции. При постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпии системы, взятой с обратным знаком и обозначается как . Как правило, в термодинамических расчетах используются стандартные величины – то есть величины, определенные при стандартных условиях (температура 298 К, давление 10⁵ Па)

Энтальпия H (кДж/моль) - это термодинамическая функция, характеризующая теплосодержание системы при постоянном давлении.

Согласно закону Гесса, тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее протекания, а зависит только от начального и конечного состояния веществ.

Расчет теплового эффекта реакции производится согласно следствию из закона Гесса: тепловой эффект реакции равен разности сумм энтальпий образования продуктов реакции и энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции: , где i – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Для расчета теплового эффекта используются стандартные энтальпии (стандартные теплоты) образования вещества (кДж/моль) – это тепловой эффект реакции образования 1 моля вещества из простых веществ при стандартных условиях, взятый с обратным знаком. Например, при образовании 1 моля HCl из простых веществ при стандартных условиях выделяется количество тепла, равное 92,3 кДж/моль.

½ Cl₂ + ½ H₂ = HCl + 92,3 кДж

Таким образом, стандартная энтальпия образования HCl равна = -92,3 кДж/моль. Эти величины определены для многих веществ и являются справочными данными.

Реакции могут сопровождаться выделением или поглощением тепла. Если в результате реакции энтальпия химической системы понижается ( <0), то происходит выделение тепла (Q > 0) и такая реакция называется экзотермической. Если в результате реакции энтальпия системы повышается ( > 0), то происходит поглощение тепла (Q < 0) и такая реакция называется эндотермической.

Термохимическое уравнение – уравнение, в котором указывается тепловой эффект реакции. В правой части уравнения указывается значение . При этом для удобства могут использоваться дробные стехиометрические коэффициенты.

½ Cl₂ +1/2 H₂ = HCl, 92,3 кДж

Самопроизвольный процесс – процесс, который может осуществляться в системе без воздействия со стороны окружающей среды.

Критерием самопроизвольного протекания химической реакции при данных условиях является изменение энергии Гиббса (кДж/моль), которое рассчитывается по формуле:

Где - это изменение энтальпии в процессе реакции или тепловой эффект реакции; - это изменение энтропии в процессе реакции. Движущей силой реакции является уменьшение энергии системы в процессе реакции, т.е. как правило, самопроизвольно идут экзотермические процессы, где . Однако и эндотермические реакции могут идти самопроизвольно, т.к. самопроизвольность процесса определяется не только изменением энергии в системе. В то же время движущей силой реакции является увеличение меры беспорядка системы, за которую отвечает термодинамическая функция S (Дж/моль·K), называемая энтропией. Согласно 2 закону термодинамики, самопроизвольно идут те процессы, которые сопровождаются ростом энтропии, т.е. . Изменение энтропии в процессе химической реакции определяется аналогично закону Гесса и равно разности сумм энтропий продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов i:

Для расчета используются стандартные энтропии веществ (Дж/моль·K), которые определены для многих соединений и являются справочными величинами.

Энергия Гиббса включает два этих фактора, и может принимать разные значения. Если ΔG<0, то химическая реакция протекает при данных условиях самопроизвольно в прямом направлении, т.е. в сторону образования продуктов реакции. Наиболее вероятно протекание той реакции, у которой более отрицательное значение ΔG. При разных температурах значения ΔG для одной и той же реакции будут отличаться, при этом наиболее вероятно протекание при той температуре, при которой ΔG будет иметь большее отрицательное значение. Если же ΔG > 0, то реакция самопроизвольно в прямом направлении протекать не будет, но возможно ее протекание в обратном направлении. При ΔG = 0 система будет находиться в состоянии химического равновесия, т.е. возможно протекание и прямой и обратной реакции.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Задача №1.

Вычислите тепловой эффект реакции, запишите термохимическое уравнение реакции.

2Mg _(тв) + CO_{2 (г)} = 2MgO _(тв) + C _{(графит})

Определить, сколько теплоты выделиться при сгорании 1 кг магния по этой реакции.

= -393,5 кДж/моль; = -601,6 кДж/моль

Алгоритм решения

1. Тепловой эффект реакции определяем согласно следствию из закона Гесса. Для этого нам необходимы справочные данные по энтальпиям образования веществ, участвующих в реакции. Для простых веществ (Mg, C) энтальпии образования как правило, равны нулю.

Записываем выражение для расчета теплового эффекта реакции :

(учитываем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции: по уравнению реакции из 2 моль Mg и 1 моль CO₂ образуется 2 моль MgO и 1 моль C)

2. Запишем термохимическое уравнение реакции:

2Mg _(тв) + CO_{2 (г)} = 2MgO _(тв) + C _{(графит}),

(Q > 0, реакция экзотермическая)

Таким образом, эта реакция экзотермическая, происходит выделение тепла.

3. Итак, согласно уравнению реакции при сгорании 2 молей Mg выделяется 809,7 кДж тепла. Для того чтобы определить количество тепла Q, выделяемое при сгорании 1 кг Mg в этой реакции, переведем массу магния в количество вещества.

Составляем пропорцию:

2 моль Mg – 809,7 кДж

41,66 моль Mg – x кДж

Таким образом, количество теплоты Q, выделившееся в результате сгорания 1 кг Mg составляет:

Q =x = = 16866 кДж

Ответ:

Задача №2

В каком направлении может протекать реакция при температуре 27 ⁰С?

NiO _(тв) + Pb _(тв) = Ni _(тв) + PbO _(тв)

) = -239,7 кДж/моль; )= -219 кДж/моль

= 38 Дж/моль·К; = 64,8 Дж/моль·К; = 29,9 Дж/моль·К; = 66,5 Дж/моль·К.

Алгоритм решения.

Для того, чтобы определить направление процесса, необходимо вычислить изменение энергии Гиббса в процессе реакции по уравнению

1. Сначала определяем согласно следствию из закона Гесса:

Т.к. перед веществами в уравнении реакции все коэффициенты равны 1, то в выражении для мы их не учитываем.

2. Определяем , учитывая, что энтропия вещества не может быть равна нулю при стандартных условиях.

Дж/K

3. Находим изменение энергии Гиббса по уравнению

Температуру необходимо перевести в K. Переводим следующим образом:

T = 273+27 = 300 K

При расчете необходимо учесть, что величины имеют разные единицы измерения.

Т.к. полученное значение , значит реакция в прямом направлении при данной температуре не протекает. Возможно протекание этой реакции в обратном направлении.

Ответ: реакция может протекать в обратном направлении.

Задача №3.

При какой температуре данная реакция пойдет: а) в прямом направлении; б) в обратном направлении; в) в прямом и обратном направлениях одновременно

CaCO_{3 (г)} CaO _(тв) + CO_2(г)

(CaCO_3(тв)) = -1207 кДж/моль; (CaO _(тв))=-634,9 кДж/моль; (CO_2(г)) =-393,5 кДж/моль

(CaCO_3(тв)) =88 Дж/моль·К; (CaO _(тв))= 38,1 Дж/моль·К; (CO_2(г)) =213,8 Дж/моль·К

Алгоритм решения

а) Реакция пойдет в прямом направлении при условии, что .

1.Сначала определяем согласно следствию из закона Гесса:

2.Определяем :

Дж/K

3. Исходя из уравнения для расчета изменения энергии Гиббса, составим неравенство:

Подставим найденные значения и решим неравенство:

Реакция будет идти в прямом направлении при температуре выше 1089,68 К, т.е. при достаточно высоких температурах.

б) Реакция пойдет в обратном направлении при условии, что .

Исходя из уравнения для расчета изменения энергии Гиббса, составим неравенство:

Реакция будет идти в обратном направлении при температуре ниже 1089,68 К, т.е. при относительно низких температурах.

в) Реакция будет находиться в равновесии, т.е. будет идти одновременно и в прямом, и в обратном направлении при условии, что .

Исходя из уравнения для расчета изменения энергии Гиббса, составим неравенство:

Реакция будет идти и в прямом, и в обратном направлении при температуре 1089,68 К.

Ответ: а) Т > 1089,68 K; б) Т < 1089,68 K; в) Т = 1089,68 К

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №1

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования оксида углерода (IV), запишите термохимическое уравнение реакции.

C_{(графит)} + O_2(г) = CO_2(г)

Сколько углерода и сколько кислорода (в граммах) вступило в реакцию, при которой выделилось 39,35 кДж теплоты?

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции при 27 ⁰С.

Cu _(тв) + ZnO _(тв) = CuO _(тв) + Zn _(тв)

3. Покажите расчетом, при каких температурах реакция будет протекать в обратном направлении.

2SO_2(г) +O_2(г) =2SO_3(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №2

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования оксида кальция, запишите термохимическое уравнение реакции. Сколько теплоты выделится при сгорании 200 граммов кальция?

2Ca_(тв) + O_2(г) = 2CaO_(тв)

2. Рассчитав значение изменения энергии Гиббса, установите, в каком направлении может протекать реакция при 25 ⁰С:

Cu _(тв) + PbO _(тв) = Pb _(тв) + CuO _(тв)

3. Покажите расчетом, при каких температурах возможно протекании реакции в прямом направлении.

2ZnS_(тв) + 3O_2(г) = 2ZnO_(тв) + 2SO_2(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №3

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции горения метана, запишите термохимическое уравнение реакции. Сколько тепла выделится или поглотится при сгорании 11 г метана?

CH_4(г)+2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(г)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, при какой температуре наиболее вероятно протекание данной реакции - при 100 ⁰С или при 1000 ⁰С?

2Ba(NO₃)_2(т) = 2BaO_(тв)+4NO_2(г)+O_2(г)

3. Покажите расчетом, при какой температуре реакция будет протекать и в прямом, и в обратном направлении одновременно.

2AgNO_3(тв) = 2Ag_(тв) + 2NO_2(г) + O_2(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №4

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции, запишите термохимическое уравнение реакции. Сколько бария и кислорода в граммах вступило в реакцию, если в ходе неё выделилось 2740 кДж теплоты?

2Ba_(тв) + O_2(г) = 2BaO_(тв)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, при какой температуре наиболее вероятно протекание данной реакции – при 25 ⁰С или при 100 ⁰С?

ZnO_(тв) + CO_(г) = Zn_(тв) +CO_2(г)

3. Покажите расчетом, при каких температурах возможно протекании реакции в прямом направлении.

N_2(г) + O_2(г) = 2NO_(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №5

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования углекислого газа, запишите термохимическое уравнение реакции. Сколько граммов CO₂ образовалось, если в результате реакции выделилось 327,9 кДж теплоты?

C_{(графит)} + O_2(г) = CO_2(г)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, в каком направлении может протекать реакция при 25 ⁰С.

6Al _(тв) + 3Fe₂O_{3 (тв)} = 6Fe _(тв) + 3Al₂O_{3 (тв)}

3. Покажите расчетом, при каких температурах возможно протекании реакции в прямом направлении.

SO_2(г) + 2H₂S_(г) = 3S_(тв) +2H₂O_(ж)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №6

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции взаимодействия кальция с водой, запишите термохимическое уравнение реакции. Сколько теплоты выделяется или поглощается при получении 100 литров водорода (н.у.)?

Ca_(тв)+2H₂O_(ж) = Ca(OH)_2(тв) + H_2(г)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, какая из двух реакций окисления меди более вероятна при 300 ⁰С:

1) Cu _(тв) + ½ O_2(г) = CuO _(тв);

2) 2Cu _(тв) + ½ O_2(г) = Cu₂O _(тв).

3. Покажите расчетом, при какой температуре реакция будет протекать и в прямом, и в обратном направлении одновременно.

2PbS_(тв) + 3O_2(г) = 2PbO_(тв) + 2SO_2(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №7

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции горения сероводорода, запишите термохимическое уравнение реакции.

H₂S_(г) + 3/2O_2(г) =SO_2(г) + H₂O_(г)

Сколько тепла выделяется при сгорании 1м³ сероводорода (н.у.)?

2. Рассчитав значение энергии Гиббса, установите, какая из реакций наиболее вероятна при стандартной температуре.

1) FeO_(тв) + C_{(графит)} = Fe_(тв) + CO_(г);

2) FeO_(тв) + CO_(г) = Fe_(тв) + CO_2(г).

3. Покажите расчетом, при каких температурах возможно протекании реакции в прямом направлении.

3NiO_(тв) + 2Al_(тв) = 3Ni_(тв) + Al₂O_3(тв)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №8

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования бензола, запишите термохимическое уравнение реакции.

3C₂H_2(г) = C₆H_6(ж)

Сколько тепла выделится при образовании 1 кг бензола?

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, какая из двух реакций более вероятна при 27 ⁰С.

1) CaCl_2(тв) + F_2(г) = CaF_2(тв) + Cl_2(г)

2) CaF_2(тв) + Cl_2(г) = CaCl_2(тв) + F_2(г)

3. Покажите расчетом, при какой температуре реакция будет протекать и в прямом, и в обратном направлении одновременно.

8Al_(тв) + 3Fe₃O_4(тв) = 9Fe_(тв) + 4Al₂O_3(тв)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №9

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования оксида меди (II), запишите термохимическое уравнение реакции. Вычислите массу меди, которая прореагировала, если в результате реакции выделилось 12,8 кДж тепла.

2Cu_(тв) + O_2(г) = 2CuO_(тв)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции при температуре 25 ⁰С?

CaO_(тв) + H₂O_(г) = Ca(OH)_2(тв)

3. Покажите расчетом, при каких температурах эта реакция будет идти в обратном направлении.

N_2(г)+O_2(г)=2NO_(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №10

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования сульфида железа (II), запишите термохимическое уравнение реакции. Сколько железа в граммах вступило в реакцию, в ходе которой выделилось 3,77 кДж?

Fe_(тв) + S_(тв) = FeS_(тв)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, какая из двух реакций более вероятна при стандартной температуре.

1) H₂S_(г) + Cl_2(г) = 2HCl_(г) + S_(тв)

2) H₂S_(г) + I_2(г) = 2HI_(г) + S_(тв)

3. Покажите расчетом, при какой температуре реакция будет протекать и в прямом, и в обратном направлении одновременно.

C_{(графит)} + H₂O_(г) = CO_(г) +H_2(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №11

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции разложения оксида меди (I), запишите термохимическое уравнение реакции. Определить массу оксида меди (I), участвовавшего в реакции, если на разложение было затрачено 17 кДж тепла.

2Cu₂O_(тв)→ t 4Cu_(тв) + O_2(г)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции при температуре 25⁰С и если повысить температуру до 300 ⁰С.

Cd_(тв) + 2AgCl_(тв) = 2Ag _(тв) + CdCl_2(тв)

3. Покажите расчетом, при каких температурах возможно протекании реакции в прямом направлении.

4HCl_(г) +O_2(г) = 2Cl_2(г) +2H₂O_(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №12

1. Определить тепловой эффект реакции горения метана и вычислить, сколько тепла выделяется при сжигании 100 литров СН₄ (н.у.).

CH_4(г)+2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(г)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции при температуре 100 ⁰С?

2NaHCO_3(тв)=Na₂CO_3(тв)+H₂O_(г)+CO_2(г)

3. Покажите расчетом, при каких температурах возможно протекание реакции в прямом направлении.

4HF_(г) + O_2(г) = 2F_2(г) + 2H₂O_(г)

Индивидуальное задание «Энергетика химических процессов. Химическая термодинамика»

ВАРИАНТ №13

1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования оксида серы (IV), запишите термохимическое уравнение реакции. Вычислите массу прореагировавшей серы, если в результате реакции выделилось 92,8 кДж теплоты.

S_(тв) + O_2(г) = SO_2(г)

2. Рассчитав изменение энергии Гиббса, установите, возможно ли самопроизвольное протекание реакции при 35 ⁰С.

Дата добавления: 2015-05-10