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:
Fe2O3(т) + 3H2(г) = 2Fe(т) + 3H2O(г), Т = 800К.
Решение
1. Выпишем в виде таблицы необходимые данные:
Параметр Fe2O3(т) H2(г) Fe(т) H2O(г)
fH0298, кДж/моль -822,16 0 0 -241,81
S0298, Дж/К*моль 87,45 130,52 27,15 188,72
fG0298, кДж/моль -740,34 0 0 -228,61
Область Т, К 298-1000 298-3000 298-700 298-2500
Ср0, Дж/моль*К 103,76 28,83 24,98 33,61
а
97,74 27,28 17,24 30,00
b*103 72,13 3,26 24,77 10,71
с'*10-5 -12,89 0,50 - 0,33
Изменение энтальпии реакции рассчитаем согласно первому следствию из закона Гесса.
∆rH0298 = (3*∆fH0298(Н2О(г))) – (∆fH0298(Fe2O3(т)) = 3*(-241,81) – (-822,16) = 96,73 кДж.
Так как ∆rH0298 > 0, 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(Fe2O3) = 97,74 +72,13*10-32(298 + 800) + -12,89*105298*800 = 97,74 + 39,60 – 5,41 = 131,93 Дж/моль*К;
Ср0(Н2) = 27,28 +3,26*10-32(298 + 800) + 0,5*105298*800 = 27,28 + 1,79 + 0,21 = 29,28 Дж/моль*К;
Ср0(Fе) = 17,24 +24,77*10-32(298 + 800) = 30,84 Дж/моль*К;
Ср0(H2O) = 30,00 +10,71*10-32(298 + 800) + 0,33*105298*800 = 30,00 + 5,88 + 0,14 = 36,02 Дж/моль*К.
Изменение теплоемкости ∆Ср в ходе реакции определяется по уравнению:
∆Ср = ∑n*∆Ср прод - ∑m*∆Ср исх;
∆Ср = (2*30,84 + 3*36,02) – (131,93 + 3*29,28) = - 50,03 Дж/К.
Закон Кирхгофа для изобарного процесса:
d∆HdT = ∆Ср;
∆HT = ∆Н298 + 298T∆СрdT = ∆Н298 + ∆Ср*(Т – 298);
∆HT = 96730 + (-50,03)*(800-298) = 71614,94 = 71,615 кДж
.
3. Эмпирическое выражение функциональной зависимости молярной теплоемкости С0р для неорганических веществ:
Ср0 = а+bT+c’T-2,
∆С0р = ∆а + ∆bT + ∆c'T2;
∆а = 2*17,24 + 3*30 - 97,74 – 3*27,28 = -55,3;
∆b = (2*24,77 + 3*10,71 - 72,13 – 3*3,26)*10-3 = -0,24*10-3;
∆c’ = (3*0,33 – (-12,89) – 3*0,5)*105 = 12,38*105.
Выражение функциональной зависимости:
∆С0р = -55,3 – 0,24*10-3*T + 12,38*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) = 96730 – 55,3*(800-298) - 0,24*10-32(8002 – 2982) + 12,38*105(1298 - 1800) = 71510,12 = 71,51 кДж.
По мере увеличения температуры тепловой эффект реакции уменьшается.
5. Энтропия характеризует меру беспорядка (упорядоченности) системы.
В данной реакции в ходе превращений из простого газообразного вещества водорода образуется сложное газообразное с увеличением энтропии системы. Реагент сложное кристаллическое вещество превращается в простое кристаллическое с уменьшением энтропии. Значение S0 газообразных веществ больше S0 твердых; следует ожидать суммарного увеличения энтропии данной системы.
∆rS0298 = ∑n*S0298прод - ∑m*S0298 исх.
∆rS0298 = (2*S0298(Fe(т) + 3*S0298(Н2О(г))) – (S0298(Fe2O3(т)) + 3*S0298(H2(г))) = 2*27,15 + 3*188,72 – 87,45 – 3*130,52 = 141,45 Дж/ К.
6
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
