Расчет изменения свободной энергии Гиббса в химических реакциях.

Цель работы:

- научиться рассчитывать изобарно-изотермический потенциал в химических реакциях

- определять направление самопроизвольного протекания реакций.

Вопросы для подготовки к занятию:

- понятие термодинамического потенциала, изобарно-изотермический и изохорно-изотермический потенциалы

- критерии самопроизвольного протекания реакций

Ход работы

I. Теоретическая часть

Основные понятия и расчетные формулы

1. Химическая реакция может протекать самопроизвольно при определенных условиях, если свободная энергия Гиббса в ходе процесса убывает: ∆G°< 0.

Если в приведенных условиях ∆G°> 0, реакция не может протекать самопроизвольно.

При ∆G°= 0 (G = Gmin) в системе устанавливается равновесие.

2. Изменение свободной энергии Гиббса при стандартных условиях (Т= 298 К, р = 1атм) в ходе химической реакции ΔG°₂₉₈можно подсчитать по соотношению:

 

ΔG°₂₉₈ = ∑∆G°_f,298 i · νi - ∑∆G°_f,298 i · νi (1)

Продуктов исходных веществ

где

∆G°_f,298 – изменение стандартной свободной энергии Гиббса образования i-того реагирующего вещества из простых веществ, приводится в справочной литературе (Приложение, Таблица3); кДж/моль

νi - число моль i – того вещества, участвующее в реакции (стехиометрический коэффициент этого вещества), моль

3. При температуре Т, отличной от стандартной, (Т≠298 К), изменение свободной энергии Гиббса в реакции ΔG°_Т рассчитывают по соотношению:

ΔG°_Т = ∆Н°₂₉₈ - Т∙ ∆S°₂₉₈ (2)

где:

∆Н°₂₉₈ – стандартное изменение энтальпии в ходе химической реакции, кДж

∆S°₂₉₈ - стандартное изменение энтальпии в ходе химической реакции, кДж/К

Значения ∆Н°₂₉₈ и ∆S°₂₉₈ рассчитывают по соотношениям:

 

ΔН°₂₉₈ = ∑∆Н°_f,298 i · νi - ∑∆Н°_f,298 i · νi (3)

Продуктов исходных веществ

ΔS°₂₉₈ = ∑S°_f,298 i · νi - ∑S°_f,298 i · νi (4)

Продуктов исходных веществ

с использованием табличных значений ∑∆Н°_f,298 и S°_f,298 реагирующих веществ (Приложение, Таблица 3)

II. Практическая часть.

II.1 Примеры решения задач

Реакция происходит по уравнению:

НCl_(г) + O_2(г) → Н₂O_(ж) + Cl_2(г)

Возможно ли самопроизвольное протекание данной реакции:

а) при стандартной температуре

б) при температуре 727°C

 

а)Дано: СИ Решение

t=25°C 298 К 1. Записать уравнение реакции, расставить коэффициенты:

р = 101325 Па

4НCl_(г) + O_2(г) → 2Н₂O_(ж) + 2Cl_2(г)

Найти: 2. Выписать из Приложения, Т.3 значения ∆G°_f,298 для всех

реагирующих веществ:

ΔG°₂₉₈∆G°_f,298 (НCl_(г)) = -95,30 кДж/моль

∆G°_f,298 (O_2(г) ) = 0 кДж/моль

∆G °_f,298 (Н₂O_(ж)) = -237,23 кДж/моль ∆G°_f,298 (Cl_2(г) )= 0 кДж/моль

3. ΔG°₂₉₈-? Значение ΔG°₂₉₈находим с использованием формулы 1:

Δ G°₂₉₈ = [2•∆G °_f,298 (Н₂O_(ж)) + 2•∆G°_f,298 (Cl_2(г) ) ] - [4•∆G°_f,298 (НCl_(г)) + ∆G°_f,298 (O_2(г) )]=

=[2•(-237,23) + 2•0] - [4∙(-95,30) + 1•0 ] = - 93,26 (кДж)

4. ΔG°₂₉₈< 0, то есть данная реакция может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.

б)Дано: СИ Решение

t=727°C 1000К 1. Записать уравнение реакции, расставить коэффициенты:

р = 101325 Па

4НCl_(г) + O_2(г) → 2Н₂O_(ж) + 2Cl_2(г)

Найти: 2. Выписать из Приложения, Т.3 значения ∆Н°_f,298 и S°_f,298

ΔG°₁₀₀₀ всех реагирующих веществ:

 

вещество	НCl(г)	O2(г)	Н2O(ж)	Cl2(г)
∆Н°f,298 кДж/моль	--92,31		-285,83
S°f,298 Дж/моль∙К	186,79	205,04	69,95	222,98

3. ∆Н°₂₉₈ и ∆S°₂₉₈ -? Значениея ∆Н°₂₉₈ и ∆S°₂₉₈ находим с использованием формул 3 и 4:

Δ Н°₂₉₈ = [2•∆Н °_f,298 (Н₂O_(ж)) + 2•∆Н°_f,298 (Cl_2(г) ) ] - [4•∆Н°_f,298 (НCl_(г)) + ∆Н°_f,298 (O_2(г) )]=

=[2•(-285,83) + 2•0] - [4∙(- 92,31) + 1•0 ] = - 202,42(кДж)

Δ S°₂₉₈ = [2•S °_f,298 (Н₂O_(ж)) + 2•S°_f,298 (Cl_2(г) ) ] - [4•S°_f,298 (НCl_(г)) + S°_f,298 (O_2(г) )]=

=[2•69,95 + 2•222,98] - [4∙186,79 + 1•205,04 ] = - 366,34(Дж/К) = -0,36634кДж/К

4. ΔG°₁₀₀₀-? Значение ΔG°₁₀₀₀найдем по формуле: ΔG°_Т = ∆Н°₂₉₈ - Т∙ ∆S°₂₉₈

ΔG°₁₀₀₀= -202,42 - 1000•(-0,36634) = 163,92 (кДж)

5. ΔG°₂₉₈> 0, то есть данная реакция не может протекать самопроизвольно при стандартных условиях.

II.2 Примеры для самостоятельной работы:

Определить возможность самопроизвольного протекания реакций при температуре 298К и 1000К

1. CS_2(ж) + O_2(г) ↔ CO_2(г) + SO_2(г)

2. NH₄Cl _(тв.) ↔ NH_3(г) + HCl_(г);

3.* гидратация этилена

4 * пиролиз пентана

Оформление отчета:

Отчет должен содержать:

1. Тему и цель работы.

2. Основные расчетные формулы (1-4).

3. Пример расчетной задачи.

4. Выполненное задание для самостоятельной работы (задачи со знаком *выполняются по желанию на дополнительную оценку).

 

Практическое занятие № 9

Подготовка к контрольной работе

Цель работы: обобщить знания и умения, полученные при выполнении занятий №4 - №8

 

Ход работы

Примеры для подготовки:

1. Найти количество тепла, необходимое для изобарного нагревания 44 г углекислого газа от 200 до 400 °C. Зависимость молярной теплоемкости от температуры выражается уравнением: Ср = 10,55 + 0,00216 Т, Дж/(моль К)

 

2. Найти количество тепла, необходимое для изохорного нагревания 30 г водорода от 0 до 400 °C.

 

3. Найти работу, совершенную при расширении воздуха с 50 л до 250 л, если процесс происходит при неизменном атмосферном давлении.

 

4. Рассчитать изобарный тепловой эффект реакции сгорания ацетилена, если изохорный тепловой эффект составляет 1125,61 кДж/моль при 40°C.

 

5. Рассчитать изохорный тепловой эффект реакции: N_2(г) + 3H_2(г)↔2NН_3(г), при 500°C, если изобарный тепловой эффект составляет 85,14 кДж.

 

6. Дайте заключение о возможности самопроизвольного протекании химической реакции при стандартных условиях: CaCO3 (кр) → CaO (кр) + CO2 (г)

 

7. Дайте заключение о возможности самопроизвольного протекании химической реакции при 250 °C: ВaCO3 (кр) → ВaO (кр) + CO2 (г)

 

Практическое занятие № 10