Химия
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 3.83 (3 Голоса)

Задачи по теме химическая термодинамика и термохимия с решениями

1. Задача Расчёт тепловых эффектов химической реакции.

Рассчитать тепловой эффект реакции (ΔН р-ции) при гашении 100 кг извести (CaO) водой, если теплоты образования оксида кальция, воды и гидроксида кальция соответственно равны -635,1; -285,84 и -986,2 кДж/моль.

Решение задачи. Термохимическое уравнение имеет вид:

CaO(т) + H2O(ж) → Ca(OH)2(т), где т, ж – твёрдое и жидкое агрегатное состояние.

Рассчитываем тепловой эффект реакции в стандартных условиях (ΔH°р-ции), используя следствие из закона Гесса:

ΔH°р-ции = -986,2 – (-635,1 – 285,84) = -65,26 кДж/моль

Рассчитаем тепловой эффект реакции с учётом количества вещества оксида кальция:

ΔHр-ции = nCaO* ΔH°р-ции; nCaO = = 1,79*103 моль →

ΔHр-ции = 1,79*103 * (-65,26) = -116,5*103 кДж.

2. Задача Расчёт теплот образования веществ.

При растворении 16 г карбида кальция (CaC2) в воде выделяется 31,3 кДж теплоты. Рассчитать теплоту образования гидроксида кальция (ΔH°Ca(OH)2), если теплоты образования (ΔH°) воды, карбида кальция, ацетилена (C2H2) соответственно равны – 285,84; -62,7; 226,75 кДж/моль.

Решение задачи. Термохимическое уравнение имеет вид:

CaC2(т) + 2H2O(ж) → Ca(OH)2(т) + C2H2(г), где т, ж и г – соответственно, твёрдое, жидкое и газообразное агрегатное состояние.

Рассчитаем тепловой эффект реакции в стандартных условиях (ΔH°р-ции):

ΔH°р-ции =

ΔH°р-ции = = -125,2 кДж/моль.

Выразим и рассчитаем теплоту образования гидроксида кальция, используя следствие из закона Гесса:

ΔH°р-ции = ΔH° Ca(OH)2 + ΔH° C2H2 – (ΔH° CaС2 – 2*ΔH° H2О), при этом учитываем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

→ ΔH° Ca(OH)2 = – 125,2 – 861,13 = - 986,33 кДж/моль.

3. Задача Расчёт теплоты растворения.

Рассчитать теплоту растворения кристаллогидрата сульфита натрия (Na2SO3 * 7H2O), если теплота растворения безводного сульфита натрия равна 11,34 кДж/моль, а теплота образования кристаллогидрата этой соли (теплота гидратации) равна 58,4 кДж/моль.

Решение задачи. Теплота растворения безводного сульфита натрия складывается из теплоты, пошедшей на разрушение кристаллической решётки безводной соли, и теплоты, выделившейся при гидратации соли:

Na2SO3 + 7H2O → Na2SO3 * 7H2O,

ΔH° растворения = ΔH° разруш. крист. решётки + ΔH° гидратации;

ΔH° кристаллогидрата = ΔH° разруш. крист. решётки = ΔH° растворения - ΔH° гидратации; →

теплота растворения кристаллогидрата равна:

ΔH° кристаллогидрата = - 11,34 – (-58,4) = 47,04 кДж/мол

Задача Расчёт теплоты сгорания.

Рассчитать стандартную теплоту сгорания этилового спирта, исходя из реакции биохимического брожения глюкозы:

C6H12O6(т) → 2C2H5OH(ж) + 2СО2(г), ΔH°р-ции = -83,3 кДж/моль.

Теплоты сгорания (ΔH°сгор.) глюкозы, спирта и углекислого газа равны соответственно -2817,1; -1366,9 и 0 кДж/моль.

Решение задачи. Используем ещё одно следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции равен разности между суммами теплот сгорания исходных веществ и суммами теплот сгорания продуктов реакции: ΔH°р-ции = ΔH°сгор.С6Н12О6 – (2*ΔH°сгор.С2Н5ОН + 2ΔH°СО2). Поскольку углекислый газ уже не может окисляться, то его теплота сгорания (окисления) равна нулю.

ΔH°сгор.С2Н5ОН = =

= 866,9 кДж/моль.

Задачи по теме Расчёт изменения внутренней энергии при химических реакциях и фазовых переходах.

Задача 1. Рассчитать изменение внутренней энергии системы в стандартных условиях (ΔU°) при протекании реакции

2Cl2 + 2H2O(г) → 4HCl(г) + O2, если станд. теплоты образования воды и хлороводорода (HCl) соответственно равны -241,84 и 92,3 кДж/моль.

Решение. Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле ΔU=ΔH-A, для газов A (работа расширения) = Δn*R*T →

ΔU = ΔH - Δn*R*T,

где Δn - изменение числа моль газообразных продуктов реакции и исходных веществ. Для данной реакции Δn = 5-4 = 1 моль.

Рассчитаем ΔH°р-ции, используя следствие из закона Гесса:

ΔH°р-ции = 4*ΔH°HCl - 2ΔH° H2О = 4*(-92,3)-2*(-241,84)=114,48 кДж/моль; R – газовая постоянная, равна 8,3*10-3 кДж/моль*К; Т = 298 К (25°С).

Рассчитываем изменение внутренней энергии:

ΔU° = 114,48 – 1*8,3*10-3*298 = 112,0 кДж/моль.

Следовательно, в процессе реакции внутренняя энергия увеличилась на 112 кДж/моль.

Задача 2. Рассчитать изменение внутренней энергии при испарении 250 г воды при 20°С (пары подчиняются законам идеальных газов). Объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара можно пренебречь. Удельная теплота парообразования воды равна 2451 Дж/г.

Решение. При испарении воды (H2O ж → H2O пар) Δn = 1 моль (изменение количества газообразных веществ). Изменение внутренней энергии системы при испарении воды рассчитываем по формуле: ΔU = ΔH - Δn*R*T. Рассчитаем молярную теплоту парообразования воды по формуле:

ΔH = 2451 Дж/г * 18 г/моль = 44,12 кДж/моль,

n H2О(ж) = = 13,89 моль → ΔU = (ΔH - Δn*R*T)*13,89 = =(44,12-1*8,3*10-3*293)*13,89 = 579,0 кДж.

Следовательно, внутренняя энергия системы увеличилась на 579,0 кДж.

 

Примеры решения типовых задач по второму началу термодинамики.

При решении задач указывать и учитывать агрегатное состояние веществ.

Задачи по  Определение изменения энтропии в различных процессах.

Особенностью химических и физико-химических превращений является участие в них большого числа частиц. Для таких систем наиболее вероятно состояние беспорядка (частицы менее связаны, менее упорядочены), которое характеризуется энтропией (S). Количественно изменение энтропии можно рассчитать на основе следствия закона Гесса. Чем большее увеличение энтропии в каком-либо процессе, тем этот процесс более вероятен. Качественно знак изменения энтропии можно оценить (определить), сопоставляя число частиц до и после реакции и агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции.

Энтропия связана с теплотой и возрастает при увеличении беспорядка:

- переход из твёрдого состояния жидкое, из жидкого – в газообразное;

- расширение газов;

- растворение кристаллов;

- увеличение числа частиц.

Энтропия уменьшается при возрастании упорядоченности (взаимодействие частиц увеличивается):

- конденсация паров, сжижение;

- сжатие газа;

- полимеризация, кристаллизация;

- уменьшение числа частиц.

Задача 1. Определить знак изменения энтропии в реакциях:

  1. NH4NO3 (т) → N2O + 2H2O (г)
  2. 2H2 (г) + O2 (г) = 2 H2O (ж)
  3. N2 + 3H2 → 2NH3 или N2 + H2 → NH3

Решение. Знак изменения энтропии можно установить по количеству частиц исходных и конечных веществ:

Δn = nкон. – nисх., где Δn – изменение количества частиц; если Δn > 0, то энтропия возрастает; при Δn < 0 – энтропия уменьшается; если Δn = 0 - энтропия не изменяется. Кроме этого, учитывают агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции.

  1. Δn = 3-1 = 2 → Δn > 0, → ΔS > 0, т.е. энтропия возрастает, тем более, что образуются газы.
  2. Δn = 2-3 = -1 → Δn < 0, → ΔS < 0, т.е. энтропия уменьшается, тем более, что газы (большой беспорядок) превращаются в жидкость (упорядоченность больше).
  3. Δn = 1 – (+) = -1, → Δn < 0, → ΔS < 0, т.е. энтропия убывает.

Задача 2. Рассчитать изменение энтропии при реакции N2+ H2 → NH3, если стандартные энтропии (S°) азота, водорода и аммиака соответственно равны 191,6; 130,6 и 192,8 Дж/моль*К.

Решение. В соответствии со следствием из закона Гесса рассчитаем ΔS при реакции: ΔS°р-ции = S°NH3 - S°N2 - S°H2, →

ΔS°р-ции = 192,8 - * 191,6 - * 130,6 = -98,9 Дж/моль*К

Следовательно, ΔS°р-ции < 0 и самопроизвольно реакция не идёт.

Задача 3. Рассчитать изменение энтропии при плавлении 10 г льда, если уд. теплота плавления (q) равна 19,12 Дж/г.

Решение. Плавление – фазовый переход – изотермический обратимый процесс → ΔS = ; tплавл. льда = 0°С или 273°К →

ΔS==0,070 Дж/К*г, при плавлении 10г льда ΔS=0,070*10=0,7 Дж/К*г

Задачи по тем Определение возможности и направления химических реакций.

В неизолированных системах критерием самопроизвольного протекания реакции является убыль свободной энергии Гиббса (изобарно-изотермического потенциала), т.е. ΔG < 0. Чем меньше величина ΔG, тем больше вероятность протекания химической реакции.

Задача 1. Возможно ли совместное хранение на складе этиленгликоля (антифризная жидкость) и калиевой селитры (удобрение)?

Решение. Между указанными веществами может протекать реакция:

3C2H6O2 + 10KNO3 → 6CO2 + 4H2O + 10NO + 10KOH

Реакция возможна, если свободная энергия Гиббса уменьшается, т.е. ΔGр-ции < 0. Для расчёта ΔG используем следствие из закона Гесса:

ΔG°р-ции = (6ΔG°CO2 + 4ΔG°H2O(г) + 10ΔG°NO + 10ΔG°KOH) – (3*ΔG°C2H6O2 - 10ΔGKNO3).

Подставим справочные данные:

ΔGр-ции = 6 * 394,6 + 4 * (-228,8) + 10 * 80,6 + 10 * (-379,3) –

- (3 * (-319,4)) + 10 * (-393,4)) = -1377,6 (кДж).

Рассчитаем ΔG в пересчёте на 1 моль этиленгликоля:

ΔG°р-ции =-459,2 кДж/моль.

В процессе реакции свободная энергия уменьшается, следовательно, реакция может протекать самопроизвольно при обычной температуре (25°С), поэтому совместное хранение этиленгликоля и калийной селитры недопустимо, т.к. может произойти самовозгорание.

Задача 2. Рассчитать ΔG° для реакции NH3(г) + HCl(г) → NH4Cl(т)

Решение задачи.

Используем формулу:

ΔG°р-ции = ΔH° - T * ΔS°

Для расчета ΔH° и ΔS° используем следствие из закона Теса:

ΔH°р-ции = ΔH°NH4Cl - ΔH°NH3 - ΔH°HCl и

ΔS°р-ции = ΔS°NH4Cl - ΔS° NH3 - ΔS°HCl , числовые значения ΔH° и ΔS° веществ берем из справочника.

ΔH°р-ции = -315,39 – (- 46,19)- (-92,3) = -176,9 кДж

ΔS°р-ции = 94,56 – 192,5 – 186,7 = -284,64 = 0,28464;

Т = 273 + 25 = 298;

ΔG°р-ции = -176,9 – 298 * (-0,28464) = -92,08

Следовательно, ΔG°р-ции < 0 и в стандартных условиях реакция возможна.

Задача 3. Рассчитать свободную энергию Гиббса для реакции

 2NO + O2 ↔ 2NO2 при температурах 1050, 1100, 1150и 1200К, построить график ΔG – Т, сделать вывод о направлении реакции при разных температурах.

Решение.

Запишем уравнение реакции в стандартном виде:

NO + O2 ↔ NO2

Используем следствие из закона Гесса, значения S° и ΔH° возьмем из справочника.

Учесть что теплоты образования простых веществ (O2, N2, H2 и т.д.) приняты за ноль (ΔH° = 0),

ΔS°р-ции = S°NO2 - S°NO - O2 = 240 -211 - * 161 = -51,5

ΔH°р-ции = ΔH°NO2 - ΔH°NO = 33 – 91 = -58

Вычислим температуру, при которой достигается равновесие (ΔGр-ции = 0):

ΔG = ΔH° - Т * ΔS° → ТΔS° = ΔH°→T = = =1126 К

рассчитаем ΔGр-ции при разных температурах (1050, 1100, 1150, 1200)

ΔGр-ции = -58 + 51,5 * 10-3 * Т;

ΔG1050 = -3,92; ΔG1100 = -1,35; ΔG1150 = 1,23 и ΔG1200 = 3,8

На основании полученных данных построим график:

При Т < Tравн преобладает прямая реакция, а при T > Tравн – обратная.

Наступление равновесия возможно, если знак изменения функций ΔH и Δ S одинаков

Задачи по расчету констант равновесия.

Зависимость константы равновесия от свободной энергии Гиббса выражается уравнением:

ΔG = -2,3 R * TlgK, где К – константа равновесия, R – универсальная газовая постоянная. В стандартных условиях lg298K = - 0,175 ΔG°298

Задача. Константа равновесия реакции С(Т) + СО2(г)↔ 2СО (г) при 1700°К равна 2,4. Рассчитать ΔGр-ции при 1700°К и константу равновесия в стандартных условиях (298°К).

Решение задачи.

ΔG1700 = -2,3 * R * TlgK = -2.3 * 8.3 * 1700 * lg2.4 = - 123370Дж = -123,37 кДж;

ΔG1700 < 0 → равновесие реакции сдвинуто вправо, т.е. в сторону прямой реакции.

Находим константу равновесия при 298°K (стандартные условия):

lgK298 = -0.175ΔG°298; необходимые данные берем из справочника.

ΔG°р-ции = 2 * ΔG°СО - ΔG°СО2 = 2( - 137,1) – ( - 394,2) = 120;

ΔG°р-ции = -2,3 * 8,3 *10-3 lgK * T = -2.3 * 8.3 *10-3 * 298 lgK,

lgK = = -21,05 → К = 10-21,05 → К << 1

При 298°К (25°С) реакция практически не идет, равновесие смещено влево.

Задачи Химическая термодинамика и термохимия - 3.7 out of 5 based on 3 votes

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Google