Определение возможности протекания химической реакции в стандартных и нестандартных условиях.
Выполните следующие задания для заданной реакции:
1.По значениям стандартных энтальпий образования участвующих в реакции веществ ∆Нf,298 вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях ∆Н298. Выделяется или поглощается тепло при протекании реакции? Эндо- или экзотермической является данная реакция?
2. Для исходных веществ и продуктов реакции определите величины средних теплоемкостей Ср в диапазоне температур 298-Т и изменение теплоемкости ∆Ср в ходе реакции. Пользуясь законом Кирхгофа, вычислите тепловой эффект реакции ∆НТ при температуре Т и стандартном давлении с учетом величины ∆Ср.
3.Выведите для реакции функциональную зависимость изменения молярной изобарной теплоемкости от температуры: ∆Ср0 = f(Т).
4.Вычислите величину ∆Н0Т, пользуясь законом Кирхгофа и установленной функциональной зависимостью ∆Ср0 = f(Т). Как влияет увеличение температуры на величину теплового эффекта реакции?
5.Качественно оцените знак изменения энтропии ∆S при протекании реакции. Объясните полученный результат. По значениям стандартных энтальпий участвующих в реакции веществ S0298 вычислите изменение энтропии реакции при стандартных условиях ∆S0298.
6.Используя функциональную зависимость ∆Ср0 = f(Т), вычислите изменение энтропии реакции ∆S0Т при температуре Т и стандартном давлении. Как повлияет повышение температуры на величину ∆S0Т?
7.Качественно оцените вероятность самопроизвольного протекания реакции при высоких и низких температурах. Вычислите изменение энергии Гиббса ∆G0298 реакции, протекающей при стандартных условиях. Возможно ли самопроизвольное протекание процесса при стандартных условиях? Определите температуру Т0, при которой реакция меняет свое направление.
8.Вычислите изменение энергии Гиббса ∆G0Т реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре Т, считая, что ∆H0Т и ∆S0Т не зависят от температуры (метод Улиха). Постройте график зависимости ∆G0Т от температуры. Сделайте вывод о влиянии температуры на вероятность самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении.
9. Вычислите изменение энергии Гиббса ∆G0Т реакции, протекающей при стандартном давлении и температуре Т, учитывая зависимость ∆H0Т и ∆S0Т от температуры. Сравните полученные значения ∆G0Т с величиной изменения энергии Гиббса, рассчитанной по методу Улиха, и оцените их расхождение.
Исходные данные:
Mg(OH)2 (т) = MgO(т) + H2O(г)
Т = 500 К.
Решение
1. Выпишем из справочника необходимые данные:
Ср0 = a + b*T + c’*T-2
Параметр Mg(OH)2 (т) MgO (т) H2O(г)
fH0298, кДж/моль -924,66 -601,49 -241,81
S0298, Дж/К*моль 63,18 27,07 188,72
Ср0 = f(T) Дж/моль*К
а
46,99 48,98 30,00
b*103 102,85 3,14 10,71
с'*10-5 - -11,44 0,33
Область Т, К 298-541 298-3000 298-2500
Рассчитаем тепловой эффект реакции при стандартных условиях согласно следствию из закона Гесса:
∆rH0298 = ∑n*∆fH0298прод - ∑m*∆fH0298 исх.
∆rH0298 = ∆fH0298(MgO(т)) + ∆fH0298(H2O(г)) - ∆fH0298(Mg(OH)2 (т)) = (-601,49) + (-241,81) – (-924,66) = 81,36 кДж.
Так как величина ∆rH0298 > 0, то при протекании реакции тепло поглощается, реакция эндотермическая.
2. Среднюю теплоемкость определяют по уравнению:
Ср0 = QT2-T1 = 1T2-T1T1T2Ср0dT,
Зависимость истинной теплоемкости от температуры описывает уравнение:
Ср0 = а + bT + c’T-2,
Ср0 = a + b2(T1 + T2) + c'T1T2.
Ср0(Mg(OH)2) = 46,99 + 72,13*10-32(298 + 500) = 75,77 Дж/моль*К;
Ср0(MgO) = 48,98 + 3,14*10-32(298 + 500) + (-11,44*105)298*500 = 42,56 Дж/моль*К;
Ср0(H2O) = 30,00 + 10,71*10-32(298 + 500) + 0,33*105298*500 = 34,49 Дж/моль*К.
Изменение теплоемкости ∆Ср в ходе реакции определяется по уравнению:
∆Ср = ∑n*∆Ср прод - ∑m*∆Ср исх;
∆Ср = (42,56 + 34,49) – 75,77 = 1,28 Дж/К.
Закон Кирхгофа для изобарного процесса:
d∆HdT = ∆Ср;
∆HT = ∆Н298 + 298T∆СрdT = ∆Н298 + ∆Ср*(Т – 298);
∆HT = 81360 + 1,28*(500 - 298) = 81618,56 = 81,619 кДж.
3. Эмпирическое выражение функциональной зависимости молярной теплоемкости С0р для неорганических веществ:
Ср0 = а+bT+c’T-2,
∆С0р = ∆а + ∆bT + ∆c'T2.
Рассчитаем изменения температурных коэффициентов:
∆а = 48,98 + 30 – 46,99 = 31,99;
∆b = 3,14*10-3 + 10,71*10-3 – 102,85*10-3 = - 89*10-3;
∆c’ = (-11,44*105) + 0,33*105 = -11,11*105.
Выражение функциональной зависимости изменения молярной теплоемкости от температуры для реакции имеет вид:
∆С0р = 31,99 – 89*10-3*T - 11,11*105T2.
4
. Вычислим величину ∆Н0Т по закону Кирхгофа и установленной функциональной зависимости ∆С0р от Т.
∆HT = ∆Н298 + 298T∆Ср0dT = ∆Н298 + ∆а*(Т - 298) + ∆b2*(Т2 - 2982) + ∆c’(1298 - 1Т); ∆H500 = 81360 + 31,99*(500 - 298) - 89*10-32(5002 – 2982) – 11,11*105(1298 - 1500) = 81360 + 6461,98 – 7173,22 – 1506,19 = 79142,57 = 79,142 кДж.
С увеличением температуры тепловой эффект реакции уменьшается.
5. Энтропия характеризует меру беспорядка системы. Наиболее упорядочены кристаллические твердые системы, наименее – газообразные. В данной реакции из сложного твердого вещества образуется сложное твердое и газообразное вещества. Значение S0 газообразных веществ больше S0 твердых; следует ожидать суммарного увеличения энтропии данной системы.
Вычислим изменение энтропии реакции при стандартных условиях по следствию из закона Гесса:
∆rS0298 = ∑n*S0298прод - ∑m*S0298 исх.
∆rS0298 = S0298(MgO(т) + S0298(Н2О(г))) –S0298(Mg(OH)2(т) =
= 27,07 + 188,72 – 63,18 = 152,61 Дж/К.
6. Вычислим изменение энтропии реакции ∆S0Т при температуре Т и стандартном давлении.
∆S0Т = ∆S0298 + 298Т∆Ср0ТdT;
∆S0Т = ∆S0298 + ∆а*lnT298 + ∆b(Т-298) + ∆с’2(12982- 1Т2 );
∆S0500 = 152,61 + 31,99* ln500298 - 89*10-3*(500 – 298) - 11,11*1052*(12982 - 15002) = =152,61 + 16,55 – 17,978 – 4,033 = 147,147 Дж/К.
С повышением температуры величина изменения энтропии ∆S0Т уменьшается.
7
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
