Энергетика и направление химических процессов

Задача 1.

Определите стандартное изменение энтальпии ∆ Н ⁰_хр реакции окисления метана.

РЕШЕНИЕ. Запишем термохимическое уравнения реакции окисления метана и выпишем табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:

СН_{4 (г.)} + 20_{2 (г.)} = С0_2(г.) + 2Н₂О_(г.)

∆ Н °₂₉₈, кДж/моль -74,9 0 -393,5 -241,8

В соответствии с 1 следствием из закона Гесса изменение энтальпии процесса равно:

∆ Н ⁰_хр = (2∆ Н °(Н₂О_(г)) + ∆ Н °(CO_2(г))) – (∆ Н °(CH_4(г)) + 2∆ Н °(O_2(г))) =

= (2 (-241,8) + (-393,5)) - ((-74,9) + 2 ∙ 0) = - 802,2 кДж.

Так как энтальпия системы в результате реакции убывает, то реакция идет с выделением тепла и является экзотермической.

 

Задача 2.

По уравнению Fe₃O₄(к) + 4H₂(г) = 3Fe(к) + 4H₂O(г) рассчитать тепловой эффект реакции при получении:

а) 1 кг железа; б) если прореагирует 1 моль H₂; в) если образуется 1л водяных паров.

РЕШЕНИЕ. Запишем термохимическое уравнения реакции и выпишем табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:

Fe₃O₄(к) + 4H₂(г) = 3Fe(к) + 4H₂O(г)

∆ Н °₂₉₈, кДж/моль -1118 0 0 -241,8

 

В соответствии с 1-м следствием из закона Гесса изменение энтальпии процесса равно:

∆ Н °_хр = 4∙∆ Н ° (Н₂О(г)) – ∆ Н ° (Fe₃O₄(к)) = 4 ∙ (-241,8) – (-1118) = 150,8 кДж.

∆ Н °_хр > 0, следовательно, данная реакция является эндотермической.

а) изменение энтальпии реакции в данном случае рассчитано на 3 моль железа (М_Fe= 56г/моль), т.е. на 3 ∙ 56 г = 168 г. Изменение энтальпии при получении 1кг железа определяется из соотношения:

168 г Fe – - 150,8 кДж

1000 г Fe – Х кДж,

Отсюда Х = - 897 кДж.

б) изменение энтальпии реакции в данном случае рассчитано на 4 моль водорода. Изменение энтальпии при участии 1моль водорода определяется из соотношения:

4 моль Н₂ – - 150,8 кДж

1 моль Н₂ – Х кДж,

Отсюда Х = - 37,7 кДж.

 

в) изменение энтальпии реакции в данном случае рассчитано на 4 моль водяных паров, т.е. на 4 ∙ 22.4 л = 89,6 л, где V _м = 22,4л/моль. Изменение энтальпии при получении 1л водяного пара определяется из соотношения:

89,6 л Н₂О – - 150,8 кДж

1 л Н₂О – Х кДж

Отсюда Х = 1,67 кДж.

 

Задача 3

Определить верхний предел температуры, при которой может протекать процесс образования пероксида бария по реакции

2BaO(к) + O₂(г) = 2BaO₂(к).

Какой из факторов (энтальпийный или энтропийный) определяют направление самопроизвольного протекания реакции при низких и высоких температурах?

РЕШЕНИЕ. Изменение энтальпии реакции образования пероксида бария имеют ∆ Н °_хр = 2∆ Н °_ВаО2 - (2∆ Н °_ВаО + ∆ Н °_О2) = -634,7∙2 - (-553,9∙2 + 0) = -161,6 кДж.

Изменение энтропии

∆ S °_хр =2 S °_ВаО2 – (2 S °_ВаО + S °_О2) =77,5∙2 – (70,5∙2 + 206) = -191 Дж/К = - 0,191 кДж/К.

 

Свободная энергия этого процесса выразится уравнением ∆ G °_хр = ∆ Н °_хр- Т ∆ S °_хр. При стандартных условиях ∆ G °_хр = -161,6 + 0,191× 298 = -104,68 кДж. Так как ∆ G °_хр < 0, реакция при стандартных условиях протекать может.

Температуру инверсии можно найти из соотношения ∆ G ° = 0. Отсюда следует:

∆ G °_хр = ∆ Н °_хр- Т ∆ S °_хр = 0, а Т _инв = = 846,07 К.

Выше температуры 846,07 К процесс образования BaO₂ не может быть реализован.

Из расчетов следует, что ∆ Н °_хр< 0 и ∆ S °_хр< 0. При Т < 846,07К ∆ G °_хр < 0 и, значит, знак ∆ G °_хр определяется энтальпийным фактором (∆ Н °_хр< 0). При Т > 846,07К ∆ G °_хр меняет свой знак на положительный и определяющим становится энтропийный фактор.

 

Задача 4.

Вычислить изменение энтропии при испарении 250 г воды при 25 °С, если мольная теплота испарения воды (∆ Н °_исп) при этой температуре равна 44,08 кДж/моль.

РЕШЕНИЕ. Процессы фазовых переходов происходят при условии постоянства свободной энергии Гиббса (∆ G °_фп = 0). При испарении энтропия вещества возрастает на величину

∆ S _исп= .

Количество воды, содержащееся в 250г составляют

ν = = г = 13,88 моль.

 

Отсюда теплота испарения 250 г воды равна:

∆ Н °= ν•∆ Н °_исп = 13,88моль ∙ 44,08 кДж/моль = 611,83кДж = 611830Дж.

Изменение энтропии при испарении 250 г воды при Т =25 + 273 = 298К.

 

∆ S _исп= = = 2050 Дж/К.