Определение возможности протекания химической реакции в стандартных и нестандартных условиях.
Выполните следующие задания для данной реакции:
1.По значениям стандартных энтальпий образования участвующих в реакции веществ ∆Н0f,298 вычислите тепловой эффект реакции при стандартных условиях ∆Н0298. 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:
4 HCl (г) + O2 (г) = 2Cl2(г) + 2 H2O (г)
Т = 500 К.
Решение
1. Выпишем в виде таблицы необходимые данные:
Параметр HCl (г) O2 (г) H2O(г) Cl2(г)
fH0298, кДж/моль -92,34 0 -241,81 0
S0298, Дж/К*моль 186,79 205,04 188,72 222,98
Ср0 = f(T) Дж/моль*К,
Ср0 = a + b*T + c’*T-2
а
26,53 31,46 30,00 37,03
b*103 4,60 3,39 10,71 0,67
с'*10-5 1,09 -3,77 0,33 -2,85
Область Т, К 298-2000 298-3000 298-2500 298-3000
Рассчитаем тепловой эффект реакции при стандартных условиях согласно следствию из закона Гесса:
∆rH0298 = ∑n*∆fH0298прод - ∑m*∆fH0298 исх.
∆rH0298 = 2*∆fH0298(Cl2(г)) + 2*∆fH0298(H2O(г)) – 4*∆fH0298(HCl (г)) - ∆fH0298(О2(г)) = 2*(-241,81) – 4*(-92,34) = -114,26 кДж.
Так как величина ∆rH0298 < 0, то при протекании реакции тепло выделяется, реакция экзотермическая.
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(HCl) = 26,53 + 4,6*10-32(298 + 500) + 1,09*105 298*500 = 29,09 Дж/моль*К;
Ср0(O2) = 31,46 + 3,39*10-32(298 + 500) + -3,77*105298*500 = 30,28 Дж/моль*К;
Ср0(H2O) = 30,00 + 10,71*10-32(298 + 500) + 0,33*105298*500 = 34,49 Дж/моль*К;
Ср0(Сl2) = 37,03 + 0,67*10-32(298 + 500) + -2,85*105298*500 = 35,38 Дж/моль*К.
Изменение теплоемкости ∆Ср в ходе реакции определяется по уравнению:
∆Ср = ∑n*∆Ср прод - ∑m*∆Ср исх;
∆Ср = (2*35,38 + 2*34,49) – 4*29,09 – 30,28 = - 6,9 Дж/К.
Закон Кирхгофа для изобарного процесса:
d∆HdT = ∆Ср;
∆HT = ∆Н298 + 298T∆СрdT = ∆Н298 + ∆Ср*(Т – 298);
∆HT = -114260 + (-6,9)*(500 - 298) = - 115653,8 = - 115,654 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 = 2*37,03 + 2*30,00 – 4*26,53 – 31,46 = -3,52;
∆b = 2*0,67*10-3 + 2*10,71*10-3 – 4*4,6*10-3 – 3,39 = 0,97*10-3;
∆c’ = 2*(-2,85*105) + 2*0,33*105 – 4*1,09*105 – (-3,77*105) = -5,63*105.
Выражение функциональной зависимости изменения молярной теплоемкости от температуры для реакции имеет вид:
∆С0р = -3,52 + 0,97*10-3*T - 5,63*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 = -114260 - 3,52*(500 - 298) + 0,97*10-32(5002 – 2982) – 5,63*105(1298 - 1500) = - 115656,12 = - 115,656 кДж.
С увеличением температуры тепловой эффект реакции уменьшается.
5. Энтропия характеризует меру беспорядка системы. Наиболее упорядочены кристаллические твердые системы, наименее – газообразные. В данной реакции исходные вещества и продукты реакции газообразные вещества. При этом значение S0 газообразных простых веществ больше S0 газообразных сложных; реакция протекает с уменьшением количества частиц, то есть следует ожидать уменьшения энтропии данной системы.
Вычислим изменение энтропии реакции при стандартных условиях по следствию из закона Гесса:
∆rS0298 = ∑n*S0298прод - ∑m*S0298 исх.
∆rS0298 = 2*S0298(Cl2(г)) + 2*S0298(Н2О(г))) – 4*S0298(HCl(г) - S0298(О2(г)) =
= 2*222,98 + 2*188,72 – 4*186,79 – 205,04 = -128,8 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 = -128,8 – 3,52* ln500298 + 0,97*10-3*(500 – 298) - 5,63*1052*(12982 - 15002) = = - 128,8 – 1,8216 + 0,1959 – 2,0437 = -132,47 Дж/К.
С повышением температуры величина изменения энтропии ∆S0Т уменьшается.
7
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
