Химическая термодинамика

1. Рассчитайте H^o₂₉₈ химической реакции Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т) по значениям стандартных теплот образования веществ (  см. таблицу 1 приложения). Укажите тип реакци (экзо- или эндотермическая).

Решение

По данным таблицы 1 приложения, стандартные энтальпии образования Na₂O(т), H₂O(ж) и NaOH(т) при 298К равны соответственно –416, –286 и  –427,8 кДж/моль. Используя следствие из закона Гесса, рассчитываем H^o₂₉₈ химической реакции:

H^o₂₉₈ = 2 (NaOH,т) – [ (Na₂O,т) +  ( H₂O,ж)] = 2(– 427,8) –  – [–416 + (–286)] = –153,6 кДж.

Ответ: –153,6 кДж.

 2. Определите, как изменяется энтропия при протекании химического процесса  Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т).

Решение.

В данном процессе при взаимодействии 1 моль кристаллического и 1 моль жидкого вещества образуется 2 моль кристаллического вещества. Следовательно, система переходит в состояние с меньшим беспорядком, и энтропия уменьшается (S 0).

Ответ: уменьшается.

 3. Рассчитайте величину S^o₂₉₈ для процесса Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т),  используя значения стандартных энтропий веществ (см. таблицу 1 приложения).

Решение.

Используя справочные данные:  S^o(NaOH,т) = 64,16 Дж/(мольК),  S^o(Na₂O,т) = 75,5 Дж/(мольК),  S^o(H₂O,ж) = 70 Дж/(мольК),  рассчитываем S^o₂₉₈:

S^o₂₉₈ = 2S^o(NaOH,т) – [S^o(Na₂O,т) + S^o(H₂O,ж)] = 264,16 – (75,5 + 70) =  = – 17,18 Дж/К.

 Ответ: –17,18 Дж/К.

 4. Рассчитайте изменение энергии Гиббса (G^o₂₉₈) для процесса Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т)  по значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ (см. таблицу 1 приложения). Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298К ?

Решение: 

При стандартных условиях и T=298К  G^o₂₉₈  можно рассчитать как разность суммарной энергии Гиббса образования продуктов реакции и суммарной энергии Гиббса образования исходных веществ. Необходимые справочные данные:  (NaOH,т) = –381,1 кДж/моль,  (Na₂O) = –378 кДж/моль,  (H₂O,ж) = –237 кДж/моль.

G^o₂₉₈ = 2 (NaOH,т) – [ (Na₂O,т) +  (H₂O,ж)] = 2(–381,1) –  – [–378 + (–237)] = –147,2 кДж.

Значение G^o₂₉₈  отрицательно, поэтому самопроизвольное протекание реакции возможно.

Ответ:  –147,2 кДж;  возможно.

 5. Определите, возможно ли при 95^oС самопроизвольное протекание процесса  Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т).  Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

Решение:

Переведем температуру в шкалу Кельвина: Т=273+95=368К. Для расчета G^o₃₆₈ воспользуемся уравнением:

G^o₃₆₈ =H^o – TS^o

Воспользуемся изменениями энтальпии и энтропии, рассчитанными для данного процесса в предыдущих задачах. При этом величину изменения энтропии необходимо перевести из  Дж/К  в  кДж/К,  поскольку значения H и G обычно измеряют в кДж.

–17,18 Дж/К = –0,01718 кДж/К

G^o₃₆₈ = –153,6 – 368(–0,01718) = –147,3 кДж.

Таким образом, G^o₃₆₈ < 0, поэтому самопроизвольное протекание данного процесса при 95^oС возможно.

Ответ:  –147,3 кДж;  возможно.

 

6. Составьте термохимическое уравнение реакции взаимодействия Na₂O(т) и H₂O(ж), если при этом образуется 1 моль NaOH(т). В ответе приведите количество теплоты, указанное в термохимическом уравнении.

Решение:

Коэффициенты в термохимическом уравнении имеют смысл молей. Поэтому допустимы дробные значения коэффициентов. 1 мольгидроксида натрия может образоваться из 1/2 моля оксида натрия и 1/2 моля воды. В задании 1 (см. выше) рассчитано, что при образовании 2 мольNaOH в данной реакции выделяется 153,6 кДж теплоты (H^o₂₉₈ = –153,6 кДж). Поэтому при образовании 1 моль NaOH количество выделившейся теплоты будет в 2 раза меньше, т.е. 76,8 кДж. В термохимическом уравнении количество выделяющейся теплоты указывают со знаком “плюс”: 1/2 Na₂O(т) + 1/2 H₂O(ж)  NaOH(т) + 76,8 кДж.

Ответ:  +76,8 кДж.

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ 1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции  N₂(г)+3Н₂(г) 2NH₃(г),  если давление в системе увеличить в 2 раза?

Решение.

Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза. Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна v_н=k[N₂][H₂]³. После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакции станет равна v_к=k2[N₂]2³[H₂]³=k32[N₂][H₂]³. Отношение v_к./v_н показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, v_к/v_н=k32[N₂][H₂]³/k[N₂][H₂]³=32. Ответ: скорость реакции увеличится в 32 раза.

 2. В реакции  С(т)+2H₂(г) CH₄(г)  концентрацию водорода уменьшили в 3 раза. Как изменится скорость реакции?

Решение.

Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна v_н=k[H₂]². После уменьшения концентрации водорода в 3 раза скоростьстанет равна v_к=k(1/3)²[H₂]² =1/9k[H₂]². После изменения концентрации водорода скорость изменится следующим образом:v_к/v_н=1/9k[H₂]²/k[H₂]²=1/9. Ответ: скорость реакции уменьшится в 9 раз.

 3. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 10 до 30^oС (=3)?

Решение.

При увеличении температуры с 10 до 30^oС скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:

v₂/v₁=^(t2-t1)/10, где t₂=30^oC, t₁=10^oC, а v₂ и v₁ – скорости реакции при данных температурах. Получаем v₂/v₁=3^(30–10)/10=3²=9  т.е. скорость реакции увеличится в 9 раз. Ответ: 9.

 4. Равновесие реакции 2H₂(г)+O₂(г) 2H₂O_(г) ;  H<0 смещается вправо при:

1) повышении температуры; 2) уменьшении давления; 3) увеличении давления?

Решение.

Все вещества в системе – газы. В соответствии с принципом Ле Шателье, повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к меньшему количеству молей газов, т.е. в сторону образования Н₂О. Следовательно, повышение давления в системе смещает равновесие реакции вправо. Ответ: при увеличении давления.

 5. В какую сторону сместится равновесие реакции 2SO₂(г)+O₂(г) 2SO₃(г);  H<0  при повышении температуры?

Решение.

Поскольку H<0, теплота выделяется в ходе прямой реакции, которая является экзотермической. Обратная реакция будет эндотермической. Повышение температуры всегда благоприятствует протеканию реакции с поглощением теплоты, т.е. равновесие сместится в сторону исходных веществ.

Ответ: влево.

 6. Определите константу равновесия реакции   NOCl₂(г)+NO(г)   2NOCl(г),  если при некоторой температуре равновесные концентрации веществ составляют  [NOCl₂]=0,05;  [NO]=0,55; [NOCl]=0,08 моль/л.

Решение.

Константа равновесия обратимой химической реакции равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Значение каждой из концентраций должно быть возведено в степень, равную стехиометрическому коэффициенту перед соответствующим веществом в уравнении реакции. Поэтому

Ответ:  0,233.