2.3. Багатоваріантні задачі

Задача 1

Розрахуйте стандартний тепловий ефект хімічної реакції та тепловий ефект при заданій температурі (таблиця 2.3.1). Встановіть, як відрізняється теплові ефекти при сталому тиску та об’єму. Термодинамічні данні для рішення задачі взяти в довіднику. Всі компоненти реакції знаходяться в газовому стані.

Таблиця 2.3.1

№	Реакція	Т, К	№	Реакція	Т, К
1		800	16	СН4 + Н2О = СО + 3Н2	500
2	H2 + Cl2 = 2HCl	1000	17	С2Н5Cl = C2H4 + HCl	600
3	N2 + O2 = 2NO	600	18	PCl5 = PCl3 + Cl2	700
4		700	19	(СН2)3 = СН3СН=СН2	800
5		900	20	CH3CHO = CH4 + CO	900
6	2O3 = 3O2	1000	21	4HCl + O2 = 2H2O + 2Cl2	1000
7	2NO2 = N2O4	800	22	С2Н5ОН = C2H4 + H2O	1200
8	2H2 + S2(г.) = 2H2S(г.)	1200	23	H2 + C2H4 = C2H6	600
9	2Cl2 + 2H2O = 4HCl + O2	1300	24	CH4+ Cl2 = CH3Cl + HCl	500
10	2С2Н5ОН = (С2Н5)2О + Н2О	1000	25		700
11	NO + ½ О2 = NO2	1200	26	HI + CH3I = CH4 + I2	1100
12		600	27	2NO + Cl2 = 2NOCl	500
13	СО + Сl2 = СОСl2	500	28	2NO = N2 + O2	900
14	H2 + F2 = 2HF	700	29	2C6H5CH3 = м-C6H4(CH3)2 + C6H6	800
15		1100	30		500

Задача.2

Хімічна реакція (таблиця 2.3.2) перебігає при постійному тиску:

а. Вивести аналітичну залежність теплового ефекту реакції від температури;

б. Найти температуру (T), при якій спостерігається екстремальне значення H⁰_T (максимальний або мінімальний тепловий ефект) даній реакції.

в. Побудувати графічну залежність теплового ефекту хімічної реакції від температури в інтервалі температур від (Т-300) до (Т+300) К по 6-8 точкам; Проаналізувати одержану залежність;

г. Визначити, як відрізняється Qр від Qv при температурі T.

Термодинамічні данні для рішення задачі взяти в довіднику.

Таблиця 2.3.2

№	Хімічна реакція	№	Хімічна реакція
1	2H2 + CO = CH3OH(г)	7	H2 + I2 = 2HI
2	N2 + 3H2 = 2NH3	8	C2H2 + H2 = C2H4
3	2H2 + O2 = 2H2O(г)	9	C2H2 + 2H2 = C2H6
4	2N2 + 6H2O = 4NH3 (г) + 3O2	10	CO + 3H2 = CH4 + H2O (г)
5	4NO + 6H2O (г) = 4NH3 (г) + 5O2	11	CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (г)
6	2NO2 = 2NO + O2	12	CH4 + I2 = CH3I + HI

Задача 3

1. Обчисліть зміну ентропії при нагріванні (охолодженні) 4 кг речовини А (таблиця 2.3.3) від t₁ до t₂, якщо відомі температури його плавлення та кипіння, теплоємності в рідкому, твердому та газоподібному стані, теплоти плавлення й випаровування.

2. Обчисліть зміну ентропії, енергії Гібса, енергії Гельмгольца, внутрішньої енергії, роботи розширення, якщо 10 кмоль речовини, пари котрого підпорядковуються законам ідеальних газів, переходить при нормальній температурі кипіння з рідкого в газоподібний стан.

Таблиця 2.3.3

№	Речовина	t1°С	t2°С	tпл°С	tкип°С	ΔНпл, кДж моль	ΔНвип, кДж моль	Теплоємність, кДж/кг·К
								Сртв	Срж	Срг
1	Бензол	200	-10	5,5	80,1	9,95	30,76	1,468	1,734	1,422
2	Толуол	-100	120	-95	110,6	6,62	37,99	0,921	1,69	1,281
3	Бензиловий спирт	-15,3	204,7	-15,3	204,7	8,97	50,48	–	2,014	–
4	Плюмбум(II) хлорид	960	400	495	953	23,85	128,9	0,277	0,375	0,199
5	1,4-діоксан	101,3	11,8	11,8	101,3	12,85	35,77	–	1,735	–
6	Етилацетат	-83,6	77,2	-83,6	77,2	10,48	32,26	–	1,928	–
7	Діетиловий етер	-120	45	-116,3	34,6	7,537	26,6	1,256	2,321	1,934
8	Бутанол	117,5	-79,9	-79,9	117,5	9,28	52,3	–	2,435	–
9	Піридин	-40	115,3	-41,8	115,3	–	35,54	–	1,714	–
10	Бром	-20	79	-7,1	59,2	10,551	20,733	0,674	0,461	0,225
11	Вода	-20	100	0	100	6,009	40,66	0,570	4,187	1,919
12	Ртуть	-40	360	-38,89	356,66	2,30	59,23	0,141	0,139	0,104
13	Трихлор-метан	65	-63,5	-63,5	61,3	9,211	31,42	–	0,963	0,545
14	Етанол	-15,6	205	-15,6	197,3	5,02	42,30	–	2,453	1,399

Продовження таблиці 2.3.3

№	Речовина	t1°С	t2°С	tпл°С	tкип°С	ΔНпл, кДж моль	ΔНвип, кДж моль	Теплоємність, кДж/кг·К
								Сртв	Срж	Срг
15	Ацетон	-100	60	-95,35	56,24	5,69	29,67	2,261	2,177	1,129
16	н-Пентан	36,074	-129,721	-129,721	36,074	8,42	26,43	–	1,666	–
17	Циклогексан	6,554	81,40	6,554	81,40	2,63	33,03	–	1,810	–
18	Мурашина кислота	7	110	8,2	100,7	12,687	23,112	1,620	2,135	1,058
19	о-Ксилол	-25,175	144,41	-25,175	144,41	11,282	367,3	–	1,717	1,891
20	Фосген	-118	15	-118	8,3	5,74	24,39	–	1,024	0,988
21	Хлор	-33,8	100	-100,7	-33,8	6,406	20,41	–	–	0,471
22	Калій	-10	63,55	63,55	791	2,38	79,2	0,754	–	–
23	Аміак	25	-77,7	-77,7	-33,6	5,655	23,33	–	4,742	2,065
24	Натрій	886	910	97,9	886	2,64	90,1	1,225	–	0,904
25	Фосфор трихлорид	-90	100	-93,7	75,3	–	30,5	–	0,957	0,540
26	Етилен-гліколь	200	-12,6	-12,6	197,85	11,23	65,58	–	2,433	1,503
27	Пропанол	110	-126,2	-126,2	97,2	5,19	48,12	–	2,388	1,789
28	Тетрахлор-метан	80	-22,9	-22,9	76,8	2,512	30,021	–	0,846	0,543
29	Цинк	391	419,5	419,5	906,2	7,24	115,3	0,384	–	–
30	Оцтова кислота	-10	120	16,8	118,1	11,53	23,36	2,039	2,01	1,197

Задача 4

Газоподібні речовини А і В реагують за приведеному рівнянні з утворенням газоподібної речовини С (таблиця 2.3.4).

1. Виразіть константи рівноваги К_р и К_c реакції через рівноважну кількість речовини С, яка дорівнює x, якщо вихідні речовини взято в стехіометричних кількостях, рівноважний тиск в системі дорівнює P, а температура – T.

б. Розрахуйте величини Кр и Кc при Т=700 К, якщо P = 10730560 Па, а x = 0,35.

Таблиця 2.3.4

№	Реакція	№	Реакція
1	A + B = 1/2C	11	2A+ 1/2 B = 3C
2	1/2A + B = 2C	12	2A + 3B = 2C
3	3A + B = C	13	3A+ 1/2 B = 3C
4	2A + 3B = 3C	14	3A + 1/2 B = 2C
5	2A+ 1/2 B = 2C	15	1/2A + 1/2B = 2C
6	3A + 1/2 B = C	16	1/2A + 1/2B = 3C
7	A + 2B = C	17	A + 3B = 3C
8	A + B = 3C	18	3A + B = C
9	1/2A + B = 2C	19	A + 2B = 2C
10	1/2 A + B = 3C	20	A + 2B = 4C

Задача 5

Визначте тепловий ефект і константу рівноваги реакції утворення речовини А при температурі Т₃, якщо при температурах Т₁ і Т₂ їх величини дорівнюють К_р1 і К_р2 відповідно (таблиця 2.3.5). Обчисліть рівноважну концентрацію газоподібного продукту і кількість твердого реагенту, який прореагував, якщо об’єм системи дорівнює V м³, а початковий тиск газоподібної вихідної речовини – р₁. Визначте напрямок реакції при температурі Т₃, якщо парціальні тиски газоподібних речовин в системі складають 50 кПа.

Таблиця 2.3.5

№	А	Т1, К	Т2, К	Кр1	Кр2	Т3, К	V·103, м3	р1·10-2, Па
1	СН4	500	800	2754,23	1,63	700	8	600
2	С2Н2	500	700	3,89·10-22	1,99·10-15	600	10	700
3	С2Н4	500	700	3,89·10-9	8,71·10-8	600	12	800
4	С2Н6	500	700	0,319	4,67·10-4	600	130	500
5	С3Н4	700	900	3,54·10-17	4,47·10-14	800	50	400
6	С3Н6	500	800	1,55·10-10	3,98·10-10	600	110	650
7	С3Н8	500	700	2,63·10-4	8,91·10-8	600	12	6850
8	С4Н10 (бутан)	500	600	4,57·10-7	2,57·10-9	550	60	1100
9	С4Н10 (ізобутан)	500	700	5,5·10-7	1,95·10-11	620	10	1200
10	С3Н6 (циклопропан)	500	700	1,51·10-15	8,71·10-15	540	20	410
11	С4Н8 (бутен-1)	800	900	4,9·10-14	4,07·10-14	860	30	900
12	С5Н8 (изопрен)	700	800	2,88·10-19	1,17·10-18	750	40	1110

Продовження таблиці 2.3.5

№	А	Т1, К	Т2, К	Кр1	Кр2	Т3, К	V·103, м3	р1·10-2, Па
13	С5Н12 (пентан)	600	700	5,75·10-13	5,01·10-15	610	55	1500
14	С5Н10 (циклопентан)	600	800	2,45·10-16	3,23·10-17	720	60	440
15	С6Н6	800	900	4,57·10-15	1,58·10-14	760	70	350
16	С4Н8 (циклобутан)	900	1000	7,08·10-18	9,55·10-18	960	80	110
17	С6Н12 (циклогексан)	500	600	1,38·10-15	4,68·10-18	565	90	90
18	С6Н14 (гексан)	900	1000	9,55·10-22	9,12·10-23	950	100	200
19	С7Н8 (толуол)	600	700	2,4·10-18	6,76·10-18	670	120	1300
20	С7Н16 (гептан)	700	900	2,34·10-22	8,71·10-26	830	130	1200
21	С8Н10 (п-ксилол)	800	900	3,72·10-21	3,98·10-21	850	140	1600
22	СН2О	500	600	9,12·1010	7,41·107	575	150	700
23	С2Н6О2	600	700	3,47·1018	6,61·1013	630	200	300
24	С5Н12О	900	1000	3,55·10-11	2,88·10-13	930	14	550
25	С4Н8 (цис-бутен-2)	500	600	3,80·10-13	2,63·10-13	530	60	600
26	CCl4	600	800	22,91	0,151	675	50	700
27	CH2N2	600	700	4,77·10-22	1,1·10-19	660	80	250
28	C2H7N	500	700	2,75·10-14	3,54·10-15	545	90	200
29	C2H4O	600	800	2,19·108	3,6·104	710	100	100
30	С8Н18	700	900	4,68·10-26	7,41·10-30	840	45	70

Задача 6

Гетерогенна реакція перебігає при постійній температурі Т (таблця 2.3.6).

1. Визначте стандартну спорідненість і константи рівноваги К_р и К_c реакції при температурі Т.

2. Визначте кількість газоподібного продукту, який утворюється в ході реакції, якщо вихідні речовини взято в стехіометричних кількостях, а рівноважний тиск в системі P. Як впливає тиск на рівноважну кількість продуктів реакції?

3. Чи буде відбуватися дана реакція самовільно? Визначте зміну енергії Гібса, віднесену до початку реакції, якщо вихідні речовини газоподібних речовин відповідно дорівнюють P_вих. та P_прод, а реакція перебігає при температурі Т.

Таблиця 2.3.6

№	Реакція	Т, К	Р10-2, Па	Рвих10-2, Па	Рпрод10-2, Па
1	C+2H2=CH4	600	600	186	100
2	C+2H2=CH4	700	700	84	50
3	C+2H2=CH4	800	700	37	25
4	C+2H2=CH4	500	600	250	200
5	2C+2H2=C2H4	1400	68400	480	300
6	2C+2H2=C2H4	1800	68400	1290	800
7	2C+2H2=C2H4	2000	68400	2050	1000
8	2C+O2=2CO	773	10	705	800
9	2C+O2=2CO	873	100	572	500
10	2C+O2=2CO	973	300	293	300
11	2CuCl2+H2=2Cu+2HCl	673	500	361	500
12	2CuCl2+H2=2Cu+2HCl	773	500	215	400
13	Sn+2H2O(г)=SnO2+2H2	1073	50	690	800
14	SnO2+2H2=Sn+2H2O(г)	1073	500	152	200
15	SnO2+2H2=Sn+2H2O(г)	973	400	167	200
16	SnO2+2H2=Sn+2H2O(г)	1173	700	680	100
17	SnS+H2=Sn+H2S	783	10	745	900
18	SnS+H2=Sn+H2S	1196	50	670	700
19	PbS+H2=Pb+H2S	783	5	755	900
20	PbS+H2=Pb+H2S	973	10	745	800