Примеры к осн.закономерностям

Термодинамика

Пример 1: Рассчитать изменение энтальпии ΔНº₂₉₈ для химической реакции: 4NН_{3 (г)} + 5O_{2 (г)} = 4NO_(г) + 6H₂O_(ж).

Написать термохимическое уравнение данной реакции. Рассчитать количество теплоты, которое выделится или поглотится, если подвергнуть окислению 200 л (н.у.) аммиака?

Решение. Запишем выражение следствия из закона Гесса для данной реакции:

ΔНº₂₉₈ = 4ΔНº_f (NO_(г)) + 6ΔНº_f (H₂O_(ж)) – [4ΔНº_f (NН_{3 (г)}) + 5ΔНº_f(O_{2 (г)})].

Стандартные энтальпии образования веществ: NН_3(г), NO_(г), H₂O_(ж) находим в справочнике: ΔНº_f (NO_(г)) = 90,25 кДж/моль; ΔН^º_f (NН_{3 (г)}) = –46,19 кДж/моль; ΔНº_f (H₂O_(ж))= –285,83 кДж/моль. ΔНº_f(O_{2 (г)}) = 0 кДж/моль, т.к. молекулярный кислород – простое вещество.

ΔНº₂₉₈ =[4·90,25+6·(–285,83)] –[4·(–46,19) + 5·0] = –1169 кДж.

В термохимическом уравнении необходимо указать рассчитанное значение стандартного изменения энтальпии:

4 NН_{3 (г)} + 5 O_{2 (г)} = 4 NO_(г) + 6 H₂O_(ж); ΔНº₂₉₈ = – 1169 кДж.

При окислении 4 моль аммиака выделяется 1169 кДж. Рассчитаем (NH₃) в200 л – (NH₃) = 200/22,4 = 9 моль. При окислении 9 моль аммиака выделится в 2,25 раза больше тепла, чем при окислении 4 моль: 1169 ∙ 2,25 = 2630,3 кДж.

Пример 2: В каком направлении пойдёт процесс: С₂Н_4(г) = С₂Н_2(г) + Н_2(г); ΔНº₂₉₈ =175 кДж при Т= 800 К? В каком диапазоне температур возможно самопроизвольное протекание процесса?

Решение: Из термохимического уравнения следует, что процесс эндотермический, следовательно, он не может самопроизвольно протекать при низких температурах. Рассчитаем изменение энергии Гиббса в ходе данного процесса при Т= 800 К:

ΔG = ΔH – T ΔS

Так как ΔНº₂₉₈ известно, рассчитаем изменение энтропии в ходе процесса ΔSº₂₉₈. Стандартные значения энтропий химических соединений находим в справочнике: Sº(C₂H_2(г))= 201 Дж/(моль·К); Sº(H_{2 (г)})= 130 Дж/(моль·К); Sº(C₂H_{4 (г)} ) = 219 Дж/(моль·К).

ΔSº₂₉₈ = Sº (C₂H_2(г)) + Sº(H_{2 (г)}) – Sº(C₂H_{4 (г)} )= 201 + 130 – 219 = 112 Дж/К = 0,112 кДж/К.

ΔG = ΔH – T ΔS = 175 – 800 · 0,112 = 85,4 кДж.

ΔG>0, следовательно, при Т= 800 К процесс может протекать самопроизвольно только в обратном направлении.

Для ответа на второй вопрос рассчитаем температуру равновероятности протекания реакции: Т_Р = ΔH/ ΔS = 175/ 0,112 = 1562,5 К.

Следовательно, только при Т > 1562,5 К возможно самопроизвольное протекание указанного процесса.

Пример 3 Рассчитать изменение энергии Гиббса ΔGº₂₉₈ для химических реакций: SO_3(г) + CuO_(к) = CuSO_4(к) ; 3SO_3(г) + Al₂O_3(к) = Al₂(SО₄)_3(к) .Какой из оксидов – CuO или Al₂O₃ реагирует с оксидом серы (VI) более энергично?

Решение: Запишем выражение следствия из закона Гесса для первой реакции:

ΔGº₂₉₈ = ΔGº_f (CuSO_{4 (к)} ) – [ΔGº_f ( SO_3(г) ) + ΔGº_f (CuO_(к))].

Стандартные значения энергий Гиббса соединений находим в справочнике: ΔGº_f (SO_3(г)) = −368,4 кДж/моль; ΔGº_f (CuO _(к)) = –129,4 кДж/моль; ΔGº_f (CuSO_{4 (к)})= –661,8 кДж/моль.

Подставим значения: ΔGº₂₉₈ = –661,8 − [−368,4 –129,4] = –164,0 кДж.

Запишем выражение следствия из закона Гесса для второй реакции:

ΔGº₂₉₈ = ΔGº _f (Al₂(SО₄)_{3 (к)}) – [3 ΔGº _f ( SO_{3 (г)}) + ΔGº _f (Al₂O_{3 (к)})].

Стандартные значения энергии Гиббса соединений находим в справочнике: ΔGº_f (SO_3(г)) = −368,4 кДж/моль; ΔGº _f (Al₂O_{3 (к)} ) = –1582 кДж/моль; ΔGº_f (Al₂(SО₄)_{3 (к)})= –3100 кДж/моль.

ΔGº₂₉₈ = ( –3100 ) − [ 2 (−368,4) –1582 ] = –412,8 кДж.

Поскольку в ходе и первой и второй реакций энергия Гиббса уменьшается (ΔGº<0), оба процесса могут протекать самопроизвольно в прямом направлении. Но для второй реакции стандартное изменение энергии Гиббса меньше, чем для первой (–412,8<–164,0), следовательно, оксид алюминия Al₂O₃ реагирует с оксидом серы (VI) более энергично.

Кинетика

Пример1: Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций в системе: 3H_{2( г.)}+ N_2(г.) =2NH_3(г.) при увеличении давления в два раза?

Если в закрытом реакционном сосуде, где протекает реакция 3H₂ + N₂ = 2NH₃, давление увеличить в два раза, то объем уменьшится тоже в два раза, а значит, вдвое увеличится и концентрация газов:

Следовательно, при увеличении давления в 2 раза скорость прямой реакции возрастет в 16 раз, а скорость обратной реакции только в 4 раза.

Пример2: Как надо изменить параметры процесса синтеза аммиака 3H_{2( г.)}+ N_2(г.) = 2NH_{3(г.) ;} ΔН⁰<0 (давление, температуру, концентрации) чтобы сместить равновесие в сторону продукта?

Данная реакция протекает с уменьшением объема – из 4 молей образуется 2 моля, следовательно, чтобы сместить равновесие в сторону продукта давление надо увеличить.

К такому же выводу мы приходим в примере1– при увеличении давления прямая реакция будет преобладать над обратной – равновесие сместится вправо.

Прямая реакция экзотермическая (ΔН⁰<0),а обратная эндотермическая. Чтобы сместить равновесие в сторону экзотермической реакции температуру надо понизить.

Чтобы сместить равновесие в сторону продукта надо увеличить концентрацию одного из реагентов, например, взять избыток одного из реагентов относительно стехиометрии реакции.