Сборгник задач по химии

По следствию из закона Гесса рассчитаем стандартные энтальпию тальпию и энтропию реакции:

∆rН0=2∆fН0298(Fe)+ 3∆fН0298(Н2О)–

[∆fН0298(Fe2О3)+3∆fН0298 (Н2) ]

∆rН0 = 3(–241,7) + 821,3 = 96,2 кДж;

∆rS 0 = 2S0298(Fe) + 3S0298(Н2О)– [S0298(Fe2О3)+3S0298 (Н2)], ∆rS 0 = (2·27,15 + 3·188,8) – (89,8 + 3·130,6) = 139,1 Дж/К.

Энергия Гиббса химической реакции равна ∆rG = ∆rН – Т∆rS. Рассчитаем энергию Гиббса при 1000 К:

∆rG1000 = 96,2·103 – 1000· 139,1 = –42,9 · 103 Дж = –42,9 кДж.

Так как ∆rG1000 < 0, прямой процесс термодинамически возможен, при 1000 К.

Пример 5. При какой температуре наступает равновесие системы:

4HCl(г) + O2(г) ↔ 2H2O(г) + 2Сl2(г),

если тепловой эффект реакции ∆rН0 = –114,4 кДж,

S0298(Н2О) = 188,8 Дж/(моль·К), S0298(НCl) = 186,7 Дж/(моль·К), S0298(О2) = 205 Дж/(моль·К), S0298(Cl2) = 223 Дж/(моль·К). Зави-

симостью ∆rН0 и ∆rS0 от температуры пренебречь.

Решение: в состоянии химического равновесия ∆rG = 0.

Так как ∆rG = ∆rН – Т∆rS = 0, ∆rН = Т∆rS, отсюда Т = ∆rН/∆rS. Рассчитаем ∆rS для этой реакции:

∆rS = 2S0298(Н2О) + 2S0298(Cl2) – 4S0298(НCl) – S0298(О2) = 2·188,8

++ 2·223 – 4·186,7 – 205 = –128,2 Дж/К = 0,128 кДж/К.

Т= –114,4/–0,128 = 891 К, наступит равновесие.

101

4.4.Индивидуальные упражнения и задачи

4.4.1.Энтальпия образования вещества. Энтропия. Стандартная энтальпия. Расчеты по термохимическим

уравнениям

№421. На разложение некоторого количества оксида меди

(II)было затрачено 12,8 кДж теплоты. При этом образовалось 5,0 г меди. Определить энтальпию образования оксида меди.

№422. При сжигании графита образовался оксид углерода

(IV) массой 8,86 г. Изменение энтальпии этой реакции ∆rН0298 = –79,2 кДж. Вычислите стандартную энтальпию образования СО2.

№423. Написать термохимическое уравнение реакции растворения оксида меди (II) в соляной кислоте. Сколько тепла выделяется при растворении 100 г оксида?

№424. Рассчитать стандартную энтальпию образования оксида азота, зная тепловой эффект реакции:

4NH3 г + 5О2 г → 4NOг + 6Н2О г; ∆rН0298 = –906 кДж.

Сколько тепла выделится (поглотится) при сгорании 25 г аммиака?

№ 425. Сколько тепла выделится (поглотится) при разло-

№ 426. Разложение гремучей ртути при взрыве идет по

уравнению: Hg(ONC)2 = Hg + 2CO + N2; ∆rН0298 = –364,2 кДж.

Определить количество теплоты, выделившейся при взрыве 1,5

кг Hg(ONC)2.

№ 427. При взаимодействии 3 моль оксида азота (I) с аммиаком образуется азот и пары воды. При этом выделяется 877,7 кДж тепла. Написать термохимическое уравнение этой реакции и вычислить энтальпию образования оксида. Сколько

102

тепла выделится при условии, что масса оксида азота составляет 50 г?

№ 428. Чему равно изменение энтальпии реакции разло-

жения бертолетовой соли: KСlO3KCl + 3/2O2? Сколько теплоты выделяется (поглощается) при разложении одного килограмма KСlO3 по этой реакции?

№ 429. Вычислить тепловой эффект реакции:

Fe2O3 к + 2Al к → 2Fe к + Al2O3 к

Как изменится величина теплового эффекта реакции, если в ней будет участвовать 3 моль Fe2O3?

№ 430. Определить тепловой эффект реакции:

б) NH3 г + HCl г→ NH4Cl к. Подтвердить свой прогноз необходимыми расчётами.

№ 432. Определить тепловой эффект реакции:

2Mg к + CO2г = 2MgOк + C гр.

Рассчитать, сколько теплоты выделяется при сгорании 1 кг Mg по этой реакции.

№433. При сгорании 9,3 г фосфора выделяется 229,5 кДж теплоты. Рассчитайте стандартную энтальпию образования оксида фосфора (V).

№434. Не производя вычислений, обосновать знак изме-

нения энтропии при протекании реакций: а)N2 г+ 1/2О2 г = N2O г. б)2H2Sг + 3О2 г= 2Н2О ж+ 2SO2 г. Подтвердить свой прогноз необходимыми расчётами.

№435. Энтальпия образования оксида кальция равна (–635,5 кДж/моль). Сколько теплоты выделится при сгорании

200 г Са?

№436. Изменение энтальпии реакции образования оксида серы (IV) из кислорода и серы равно (–297 кДж/моль). Рассчитать сколько теплоты выделится при сгорании серы массой

150 г.

103

№ 437. Не производя вычислений, обосновать знак изменения энтропии реакций и подтвердить свой прогноз необходимыми

расчётами. а) Fe2O3 к+ 3C гр =2Fe к + 3CO г; б)4НСl г+ O2 г = 2Cl2 г + 2H2O ж.

№438. Определить энтальпию образования Р2О5, если при сгорании 6,2 г фосфора выделяется 150,7 кДж тепла.

№439. Не производя вычислений, обосновать знак изменения энтропии для реакций и свой прогноз подтвердить расчё-

том: а)2СН4 г =С2Н2 г+ 3Н2 г; б)N2 г+ 3H2 г=2NH3 г.

№440. Сколько теплоты выделится при сгорании кальция

массой 5 г, если стандартная энтальпия образования СаОк равна

–635,1 кДж/моль?

№441. Сколько теплоты выделяется при сгорании 6,2 г фосфора, если стандартная энтальпия образования оксида фосфора (V) составляет –1507 кДж/моль?

№442. Не производя вычислений, обосновать знак изменения энтропии для реакции:

MgO к+CO2 г→MgCO3к; ∆rН0298 = –117,7 кДж. Опреде-

лить количество теплоты, выделяющейся при получении 42 г MgCO3 по этой реакции.

№443. Вычислить, сколько теплоты выделяется при взаимодействии 2,1 г железа с серой, если энтальпия образования сульфида железа составляет –100,5 кДж/моль.

№444. Чему равен тепловой эффект реакции:

2NO г + O3 г→N2O5 г?

Сколько тепла выделяется (поглощается) при получении 1 кг азотного ангидрида по этой реакции?

№ 445. Определить количество теплоты, выделяющейся при сгорании 1 м3 метана (н. у.) по реакции:

64,86 кДж тепла. Написать термохимическое уравнение этой реакции и рассчитать количество теплоты, выделяющейся при получении 148 кг гидроксида кальция по этой реакции.

104

№ 447. Не производя вычислений, установить знак изменения энтропии при протекании реакций:

а) TiO2 к+2Cграфит=Ti к + 2СОг; б) 2NO г+ О2 г = 2NО2 г ;

в) СН3СООН (водн.)= СН3СОО- (водн.) + Н+ (водн.).

№ 448. Вычислить энтропию и энтальпию образования метилового спирта при протекания реакции в стандартных ус-

ловиях; если ∆rН0298.= –726,5 кДж, а ∆rS0298.= –48,08 Дж/К:

СН3ОН ж + 3/2О2 г= СО2 г+ 2Н2О ж.

№449. Вычислить стандартную энтальпию образования

Al2O3, если при сгорании 2,7 г алюминия выделяется 88,76 кДж теплоты.

№450. Сколько тепла выделится при взаимодействии 240 граммов магния с кислородом, если стандартная энтальпия об-

разования оксида магния ∆fН0298(МgО) =–601,7 кДж/моль?

4.4.2.Закон Гесса и следствие из него

№451. Вычислить теплоту образования MgCO3, пользуясь данными:

№ 454. Определить энтальпию образования пентафторида

№ 458. Исходя из термохимических уравнений 1 и 2 и не пользуясь справочником, вычислить тепловой эффект для реакции 3:

3. 2Н2S г + SO2 г → 3S к + 2Н2Ож.

№ 459. Вычислить стандартную энтальпию образования диоксида углерода, используя значения стандартных энтальпий образования участвующих в реакции веществ, по уравнению:

СО2 г + 4Н2 г → СН4 г + 2Н2О ж, ∆rН0.= –77,1 кДж.

Определить изменение энтропии в предложенной системе при температуре Т = 298 К.

№ 460. Исходя из уравнения разложения гидроксида кальция, определить энтальпию образования Са(ОН)2:

Са(ОН)2 к СаОк+ Н2Ож, ∆rН0 = 64,9 кДж/моль. № 461. Основной процесс, протекающий в доменной печи,

выражается суммарным уравнением:

Fe2O3к + 3COг=2Feк+3CO2г.

106

Определить тепловой эффект и изменение энтропии данной реакции в стандартных условиях.

№462. Записать термохимическое уравнение реакции разложения гидроксида алюминия на оксиды и вычислить тепловой эффект этой реакции при 298 К.

№463. Записать термохимическое уравнение реакции разложения карбоната кальция на оксиды и вычислить тепловой эффект этой реакции при 298 К.

№464. Восстановить железо из оксида железа (II) можно двумя путями

а) FeO к+ Cгр.→ Fe к + CO г; б) FeO к + CO г→Fe к + CO2 г.

Вкаком случае изменение энтальпии выше?

№465. Вычислить энтальпию перехода кислорода в озон 3/2 О2 г = О3 г по следующим данным:

№466. Вычислить тепловой эффект процесса алюмотер-

мии при 298К: Fe2O3 к + 2Al к = Al2O3 к + 2Fe к.

Сколько тепла выделится при взаимодействии 27 г алюминия?

№467. Сравнить ∆rН0298 реакций восстановления оксида железа (Ш) различными восстановителями:

2)С6Н6 ж + 15/2О2 г → 6СО2 г + 3Н2Ож.

№469. Вычислить ∆rН0298 и ∆rS0298 для реакции: 2Н2S г + 3O2 г → 2H2O ж + 2SO2 г.

№470. Рассчитать значения ∆rН0298 для реакций:

1)NiO к+ Pb к → Ni к + PbO к,

2)8Al к + 3Fe3O4 к → 9Fe к + 4Al2O3 к.

№471. Вычислить ∆rН0298 следующих реакций:

1)2СОг + О2г → 2СО2 г,

107

2)СОг + 2Н2г → СН3ОНж.

№472. Вычислить ∆rН0298 и ∆rS0298 реакции:

Fe2O3 к + 3CO г → 2Fe к + 3CO2 г.

№473. Определить ∆rН0298 и ∆rS0298 реакции: СН4 г + 2О2 г → СО2 г + 2Н2Ог.

№474. Определить ∆rН0298 и ∆rS0298 реакции:

Cl2 г + 2HI г → I2 г + 2HCl г.

№475. Рассчитать ∆rН0298 и ∆rS0298 реакции: 4NH3 г + 5O2 г → 4NO г + 6H2O г.

№476. Вычислить ∆rН0298 для приведенных ниже реакций:

1)Fe2O3 к + 2Al к → Al2O3 к + 2Fe к;

2)Fe2O3 к + 3H2 г → 2Fe к + 3H2O г.

Какой из реакций соответствует более легкое восстановление железа?

№477. Вычислить ∆rН0298 и ∆rS0298 для реакции: СН3ОН ж + 3/2О2 г → 2Н2Ож + СО2 г.

№478. Вычислить ∆rН0298 и ∆rS0298 для реакции: 4HCl г + O2 г → 2Cl2 г + 2H2O ж.

№479. Определить ∆rS0298 реакций:

1) 2N2 г + O2 г→2N2O г; 2) N2 г + O2 г→2NO г.

№ 480. Исходя из термохимических уравнений 2 и 3, не пользуясь справочником, вычислить тепловой эффект по закону Гесса реакции 1. CaO к + SiO2 к → CaSiO3 к.

4.4.3. Энергия Гиббса и направленность химических реакций

№481. Установить, может ли данная реакция протекать самопроизвольно при 500 К: Сак + 2Н2О ж = Са(ОН)2 к + Н2 г.

№482. Установить, возможно ли самопроизвольное протекание реакции при 400 К: 2Н2 г + О2 г = 2Н2Ож.

108

№ 483. Установить, возможно, ли протекание реакций в стандартных условиях (система неизолированная):

а) N2 г + 1/2O2 г → N2O г; б) 4HCl г + O2 г → 2Cl2 г + 2H2O ж.

№ 484. Критерием возможности самопроизвольного протекания химических реакций в изолированной системе является изменение энтальпии, а в неизолированной – изменение энергии Гиббса. Для приведённой реакции сделать вывод о возможности самопроизвольного протекания ее при стандартных условиях в изолированной и неизолированной системах:

4NH3 г + 5O2 г → 4NO г + 6H2O г.

№ 485. Определить направление самопроизвольного протекания реакций в стандартных условиях (системы неизолированные):

а) 2N2O г + O2 г = 4NO г; б) N2O г + NO г = NO2 г + N2 г.

№ 486. Рассчитать, при стандартной температуре или при

1000°С более вероятна реакция: FeO к + Сграфит → Fe к.+ CO г. № 487. Вычислить значение ∆rG0298 следующих реакций и сделать вывод о том, протекание какой из них более вероятно:

а) FeO к + 1/2 Cгр.→Fe к. + 1/2CO2 г; б) FeO к + CO г →Fe к + CO2 к.

№488. Вычислить ∆rG0 для реакции N2 + O2= 2NO при

1000, 2000, 3000, 5000 и 10000°С; построить график зависимо-

сти ∆rG° от Т и найти по графику температуру, выше которой эта реакция может протекать самопроизвольно.

№489. Вычислить, какая из реакций образования оксидов азота может протекать самопроизвольно в стандартных условиях (системы неизолированные):

а) N2 г + O2 г = 2NO г; б) N2 г +2O2 г = 2NO2 г.

№ 490. Рассчитать температуру, при которой начнется восстановление Fe2O3 водородом по уравнению:

Fe2О3 к + 3H2 г = 2Fе к + 3Н2О г, ∆rН0 = 96,61кДж.

№491. Рассчитать, при какой температуре возможно самопроизвольное протекание реакции: N2 г + O2 г= 2NO г.

№492. Вычислить, для какого из процессов изменение энтропии в стандартных условиях имеет положительное значение:

109

а) MgO к + H2 г = Mg к + H2O ж; б) Cгр+ СО2 г= 2СОг.

№ 493. Рассчитать, какая из двух реакций окисления меди более вероятна при 300 ° С:

а) Cu к + 1/2O2 г = CuO к; б) 2Cu к + 1/2O2 г = Cu2O к.

№ 494. Вычислить, для какого из процессов при стандартных условиях изменение энтропии положительно:

а) 4HCl г + O2 г = 2Cl2 г + 2H2O г;

б) NH4NO3 к = N2O г + 2H2O г.

№ 495. Разложение нитрата аммония при нагревании возможно по двум направлениям:

а) NH4NO3 к = N2O г + 2H2Oг;

б) NH4NO3 к = N2 г + 1/2O2 г + 2H2O г.

Какое из направлений термодинамически более вероятно при температуре 177 0С?

№ 496. Определить ∆rG0 приведенных ниже реакций в стандартных условиях:

а) О3 г +2Н2О2 ж = 2О2 г +Н2Ож; б) Сгр +Н2Ог = СОг +Н2 г. № 497. По какому уравнению реакции при стандартных

условиях идет разложение пероксида водорода:

а)H2О2 г = Н2 г + O2 г; б)H2О2 г = Н2О ж + 1/2O2 г?

Ответ подтвердить расчетом ∆rG0298 этих реакций.

№ 498. Вычислить ∆rG для реакции при 25 и 500 °С. Сделать вывод о возможности её самопроизвольного протекания (зависимостью ∆rН0и ∆rS0 от температуры пренебречь):

СаОк + CO2 г = СаСО3 к.

№499. Какие из перечисленных оксидов могут быть вос-

становлены алюминием при 298 К: CаО; FeО; CuO; Fe2O3? Вывод сделать на основе расчета свободной энергии Гиб-

бса реакций взаимодействия оксидов с алюминием.

№500. Возможно ли горение кальция в атмосфере углекислого газа при стандартных условиях по реакции:

СО2 г + 2Са к = 2СаО к + С графит?

№ 501. Какими из перечисленных реакций можно получить бензол:

а) 6С гр + 3Н2 г= С6Н6 г,

110