Стандартные энтальпии образования веществ, стандартные энтропии и стандартные энергии Гиббса образования веществ

Основные уравнения химической термодинамики и химического равновесия

1. Q = DE + W - уравнение первого начала термодинамики

2. W = PDV

3. Q_v = DE_v - теплота изохорного процесса

4. Q_p = DH_p - теплота изобарного процесса

5. DH_p = DE + PDV - уравнение первого начала термодинамики для изобарных процессов

6. DH = å_nDH⁰ _{298 обр. прод. реак.} - å_nDH⁰ _{298 обр. исх. веществ} - п ервое следствие закона Гесса

7. DH = å_nDH⁰ _{298 сгор. исход. в.} - å_nDH⁰ _{298 сгор. прод. реакции} - в торое следствие закона Гесса

8. Q = W - уравнение первого начала термодинамики для биосистем

Q

9. DS = ¾¾ - энтропия как функция состояния системы

T

10. DS ³ 0 - уравнение второго начала термодинамики

11 S = å_nS⁰ _{298 прод. р.} - å_nS⁰ _{298 исх. в.} - расчет энтропии реакции

12. DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰ - уравнения для расчета энергии Гиббса

13. DG⁰ = å_nDG⁰ _{298 прод. р.} - å_nDG⁰ _{298 исх. в. (x)}

14. DG⁰ = - 2,3RT lg Кс - уравнение изотермы химической реакции при стандартных условиях

15. - уравнение изотермы химической реакции

16. - константа химического равновесия, выраженная через равновесные концентрации вещества

17. - константа химического равновесия, выраженная через равновесные парциальные давления вещества

18. - уравнение изобары

19. - расчет теплового эффекта по значениям констант

Таблица 1

Вещество	Стандартная энтальпия образования кДж/моль	Стандартная энтропия Дж/моль×К	Стандартная энергия Гиббса образования кДж/моль
Неорганические вещества
С (графит)		+6
СО (г)	-110	+198	-137
СО2 (г)	-393,5	+214	-394
Cl2 (г)		+223
Cl2O (г)	+76	+266	+94
FeСО3 (тв)	-753	+96	-680
H2 (г)		+131
HCl (г)	-92	+187	-95
HI (г)	+24	+206	-1
HNO2 (р-р)	-119	+153	-56
HNO3 (ж)	-174	+156	-81
H2O (ж)	-286	+70	-237
H2O2 (ж)	-187	+110	-120
H2S (г)	-21	+206	-34
H2SO4 (ж)	-814	+157	-690
KNO3 (тв)	-495	+133	-395
KOH(р-р)	-477	+92	-441
N2 (г)		+192
NH3 (г)	-46	+192	-16
H2O (г)	+82	+220	+104
NO (г)	+91	+211	+87
NO2 (г)	+33	+240	+51
N2O3 (г)	+11	+356	+115
Na2O2 (тв)	-510	+95	-447
Na2S2O3 (тв)	-1117	+225	-1043
O2 (г)		+205
SO2 (г)	-297	+248	-300
SO3 (г)	-396	+257	-371
Органические вещества
Метан (г)	-75	+186	-51
Этан (г)	-85	+229	-33
Этилен (г)	+52	+219	+68
Ацетилен (г)	+227	+201	+209
Бензол (ж)	+49	+173	+125
Циклогексан (ж)	-156	+204	+27
Хлорметан (г)	-86	+234	-63
Дихлорметан (г)	-95	+270	-69
Трихлорметан (г)	-101	+296	-69
Тетрахлорметан (г)	-100	+310	-58
Метанол (ж)	-239	+127	-166
Этанол (ж)	-277	+161	-174
Диэтиловый эфир (ж)	-279	+253	-123
Ацетальдегид (г)	-166	+264	-133
Ацетон (ж)	-247	+199	-154
Пируват-ион (р-р)		+	-559
L-молочная кислота (р-р)	-686	+222	-539
Сахароза (тв)	-2222	+360	-1545
D-глюкоза (р-р)	-1264	+269	-917
Нитробензол (ж)	+16	+224	+146
Анилин (ж)	+31	+191	+149
L-лейцин (р-р)	-643	+208	-362
Глицин (р-р)	-523	+159	-380
D,L-лейцилглицин (р-р)		+	-464
Глицилглицин (р-р)	-734	+231	-492

Стандартные энтальпии сгорания органических веществ, кДж/моль

Метан (г)	-890	Этанол (ж)	-1371
Ацетилен (г)	-1300	Диэтиловый эфир (ж)	-2727
Бензол (ж)	-3268	Нитробензол (ж)	-3091
Циклогексан (ж)	-3920	Анилин (ж)	-3396
Метанол (ж)	-727	Глюкоза	-2802

Удельная теплота полного окисления веществ в условиях организма, кДж/г.

Условный белок
Условный жир
Углеводы

Обучающие задачи:

Задача 1 В организме человека реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Первая - окисление этилового спирта до уксусного альдегида с участием фермента алкогольдегидрогеназы протекает по уравнению: С₂H₅OH + ½ O₂ = CH₃COH + H₂O.

Рассчитайте DH⁰ реакции, используя первое следствие закона Гесса, если

DН⁰ _обр.(C₂H₅OH) = - 278 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(CH₃СOH) = - 166 кДж/моль;

DН⁰ _обр.(H₂O) = - 286 кДж/моль.

Решение: DH⁰ = å n DH⁰ _{обр.пр.р.} - å n DН⁰ _{обр.исх.в.в}; DH = (-166+ (-286)-(-278)) = - 174 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект реакции DH = -174 кДж/моль, т.е. процесс экзотермический.

Задача 2. Теплота сгорания глюкозы равна -2810 кДж/моль, теплота сгорания этилового спирта равна -1366 кДж/моль. На основании этих данных вычислите тепловой эффект биохимического процесса брожения глюкозы:

С₆Н₁₂О₆= 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Решение: Тепловой эффект данной реакции можно рассчитать, применяя второе следствие из закона Гесса:

DН = ån DН⁰ _{сгор. исход. веществ} - å n DH⁰ _{сгор. прод. реакции}

DН = -2810 - 2 ∙(-1366) = - 78 кДж/моль

Ответ: тепловой эффект процесса брожения равен - 78 кДж/моль.

Задача 3. Рассчитайте стандартную энтропию реакции:

NH₂ - CH₂ - COOH + NH₂ - CH₂ - COOH → NH₂ - CH₂ - CO - NH - CH₂ - COOH + H₂O

глицин глицин глицилглицин

Если S⁰ _{(глицилглицина)} = 231 Дж/моль×К;

S⁰ _{(глицина)} = 159 Дж/ моль×К;

S⁰(H₂O) = 70 Дж/моль×К;

Решение:

DS = S⁰₂₉₈(гл-гл) +S⁰₂₉₈(H₂O)– 2 S⁰ ₂₉₈(глицина) = (231+70)-(159+159)= -17 Дж/моль×К

Ответ: DS⁰ ₂₉₈= - 17 Дж/моль×К, т.е. энтропия уменьшится.

Задача 4. Теплота сгорания углеводов, белков и жиров составляет 17, 17 и 39 кДж

соответственно. Среднесуточная потребность в белках, жирах и углеводах для студентов - мужчин составляет 113, 106 и 451г. Какова суточная потребность студентов - мужчин в энергии?

Решение: Рассчитываем сколько энергии выделяется при окислении углеводов, белков и жиров

DH = (451×17) + (113 × 17) + (106 × 39) = 13722 кДж.

Ответ: Суточная потребность в энергии равна 13722 кДж.

Задача 5. Почему процесс денатурации белка при 40⁰С является самопроизвольным, если реакция эндотермическая и тепловой эффект составляет 2830 Дж/моль? Значение DS для данной реакции равно 288 Дж/моль∙К

Решение: Для определения направления процесса необходимо знать величину изменения энергии Гиббса, рассчитываемой по уравнению: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰. Расчет показывает, что DG < 0 (DG⁰ = 2830 Дж/моль - (313К × 288 Дж/моль∙К) = - 87314 Дж/моль или - 87,3 кДж/моль).

Ответ: Поскольку DG < 0, то процесс денатурации белка при 40⁰С протекает самопроизвольно, повышение температуры тела может представлять опасность для жизнедеятельности организма.

Задача 6. Вычислите энергию Гиббса, являющуюся критерием самопроизвольности процессов, для реакции гликолиза при стандартных условиях: С₆H₁₂О₆ (р-р) ® 2С₃H₆О₃ (р-р) (молочная кислота).

Решение:

Из таблицы термодинамических величин запишем стандартную энергию Гиббса для участников химического процесса: ∆G⁰(С₆H₁₂О₆) = -917 кДж/моль; ∆G⁰(С₃H₆О₃) = -539 кДж/моль. Используя 1 следствие из закона Гесса вычислим энергию Гиббса:

ΔG⁰ = 2×ΔG⁰ (C₃H₆O₃) - ΔG⁰ (C₆H₁₂O₆)

ΔG⁰ = 2(-539) – (-917) = -161 кДж/моль

Ответ: т.к. ΔG⁰ < 0, то реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении.

Задача 7. Вычислить изменение энергии Гиббса при 25⁰С по стандартным значениям энтальпий образования и абсолютных энтропий для данной реакции: СО + 2Н₂ = СН₃ОН

DН⁰_обрСН₃ОН = -293 кДж/моль S⁰(СН₃ОН) = 127 Дж/моль×К

DН⁰_обрСО = - 110 кДж/моль. S⁰(CO) = 198 Дж/моль×К

S⁰(H₂) = 131 Дж/моль×К

Решение: DG⁰ = DH⁰ - TDS⁰

DH⁰ = ånDH⁰_{обр. пр. реак.} - ånDН⁰_{обр. исх. веществ}

DН⁰ = - 293 - (-110) = - 183 кДж/моль

DS⁰ = å n S⁰ _{прод. р} - å n S⁰ _{исход. веществ}

DS⁰ = 127 - (198 + 2(131) = - 333 Дж/моль×К

DG⁰ = - 183,5 кДж/моль - (298К × 0,333 кДж/моль×К) = - 83,8 кДж/моль

Ответ: DG⁰ = - 83,8 кДж/моль

Задача 8. Рассчитайте константу равновесия при 310 К для реакции АТФ + АМФ ↔ 2АДФ, если свободная энергия Гиббса реакции ΔG°=-2,10кДж/моль.

Решение: в состоянии равновесия DG⁰ = - 2,3RT lg Кс

lgKc= 0,354

K_c= 10^0,354=2,26

Ответ: Kc = 2,26

Задача 9. Константа равновесия реакции: PCl₅(г) «PCl₃(г) + Cl₂(г) при 250⁰С равна 2. В каком направлении идет реакция при следующих концентрациях: С(PCl₅) = C(PCl₃) = 2 моль/л; С(Сl₂) = 4 моль/л?

Решение: Для определения направления протекания реакции воспользуемся уравнением изотермы

Рассчитаем Пс

Т.к. П_с > К_с, то DG > 0

Вывод: реакция самопроизвольно протекать в прямом направлении не может, т.к. DG>0.

Задача 10. Константа равновесия реакции 2SO₂ (г) + O₂(г) Û 2SO₃(г) при температуре 627⁰С равна 2,3∙10^-7, DН⁰ = 376,5 кДж/моль. Рассчитайте константу равновесия при 727⁰С.

Решение: воспользуемся уравнением изобары химической реакции:

T₁ = 273 + 627 = 900 K

T₂ = 273 + 727 = 1000K

Ответ: Константа равновесия при 727⁰С равна 3,56 × 10^-5.

Задача 11. Для реакции Н₂О(г) + СO(г) ® CO₂(г) + H₂(г) константы химического равновесия равны: при 800⁰С Кр = 2,87, при 1000⁰С Кр = 1,39. Вычислите тепловой эффект этой реакции.

Решение: Применив, уравнение изобары химической реакции, рассчитаем DН

Примем T₁ = 800 + 273 = 1073 K

T₂ = 1000 + 273 = 1273 K

Ответ: DН = -39,16 кДж/моль.

Задачи для самостоятельного решения:

Задача 1. На испарение 1 моля воды требуется 40 кДж. Сколько теплоты будет потеряно за день при выделении через кожу 720г воды?

Ответ: 1600 кДж

Задача 2. Пероксид водорода (Н₂О₂) в виде раствора с массовой долей 3 %. используется в медицине для обработки ран. Докажите, что процесс разложения пероксида водорода в присутствии фермента каталазы является самопроизвольным, используя для расчёта значения стандартной энтропии образования исходных веществ и продуктов реакции:

S⁰ ₂₉₈ (H₂O₂) =110 Дж/моль×К; S⁰ ₂₉₈ (Н₂О) = 70 Дж/моль×К; S⁰₂₉₈(O₂) = 205 Дж/моль×К.

Ответ: Δ S = 62,5 Дж/моль × К

Задача 3. При сжигании метана объемом 2 м³ выделяется 79600 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную теплоту сгорания метана.

Ответ: 891,52 кДж/моль

Задача 4. Рассчитайте стандартную энергию Гиббса для процесса окисления глюкозы по следующим данным: DН⁰_обр (С₆Н₁₂О₆) = - 1264,4 кДж/моль; DН⁰_обр (СО₂) = - 393 кДж/моль;

DН⁰_обр (Н₂О) = - 286 кДж/моль. Изменение энтропии всей реагирующей системы равно 0,259 кДж/моль×K

Ответ: DG = - 2886,8 кДж/моль.

Задача5. Вычислите стандартную энтальпию образования этанола, воспользовавшись необходимыми для этого стандартными энтальпиями сгорания.

Ответ: DН⁰_обр. = -273 кДж/моль

Задача 6. Константа равновесия реакции N₂0₄(г) ↔ 2N0₂ (г) при 25°С равна 0,1. В каком направлении будет идти реакция при следующих концентрациях веществ:

а) С(N0₂) = С(N₂0₄) = 0,1 моль/л;

б) С(N0₂) = 0,01 моль/л; C(N₂0₄) = 0,02 моль/л?

Задача 7. Для реакции H₂ + I₂ ® 2HI при 444⁰С константа равновесия равна 50. Определите направление процесса, если исходная смесь имеет следующий состав: С(H₂) = 2моль/л, С(HI) = 10моль/л.

Ответ: Состояние равновесия, т.к ∆G=0.

Задача 8. Рассчитайте константу равновесия, если DG⁰ ₂₉₈ для данной реакции равно 4,478 кДж/моль.

Ответ: 6,1

Задача 9. Константа равновесия разложения лекарственного вещества в автоклаве при 413К равна 0,396∙10⁵ Па, а при 443К - 1,286∙10⁵ Па. Вычислить тепловой эффект реакции.

Ответ: 59,6 кДж/моль.

Задача 10. Используя значение ΔG° установите, существует ли угроза отравления больного при использовании в качестве наркотического средства оксида азота(I), Токсичный оксид азота (II) может образовываться по реакции: 2N₂O + O₂ = 4NO. Все вещества находятся в газообразном состоянии. Справочные данные см. в таблице.

Дата добавления: 2014-01-04