Расчет стандартного изменения энергии Гиббса реакции

 

Определение изменения энергии Гиббса реакции восстановления природного минерала магнетита оксидом углерода (II)

 

 

Задача 1.
Восстановление природного минерала магнетита Fe3O4 оксидом углерода (II) осуществляется в производственных условиях по реакции: 
Fe3O4(к) + CO(г) = 3FeO(к) + CO2(г).
Определите изменение энергии Гиббса и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этого процесса при стандартных условиях.
Решение:
Изобарно-изотермический потенциал термодинамической системы или энергия Гиббса G отражает общую движущую силу процесса, т.е. обозначает ту часть полной энергии системы (Н), которая полностью и без остатка может превратиться в полезную работу (собственно химический процесс). Изменение энергии Гиббса ∆G (при Т = Const и P = Const) в сторону её уменьшения (∆G < 0) указывает на меру химической активности системы: чем больше |∆G|, тем сильнее стремление к протеканию процесса и тем дальше он отстоит от состояния равновесия. Энергия Гиббса является функцией состояния и поэтому к ней применим закон Гесса:

∆Gх.р. =  ∑∆Gобр(прод) -  ∑∆Gобр(реаг).

Применив данное выражение к уравнению процесса восстановления двойного оксида железа Fe3O4 при стандартных условиях, получим:

∆G0х.р. =[3· ∆G0обрFeO(к) + ∆G0обрCO2(г)] – [∆G0обрFe3O4(к) + ∆G0обрCO(г)].

Используя табличные значения, установим значения ∆G0обр продуктов реакции и реагентов:

∆G0обрFeO(к) = -244,3 кДж/моль;
∆G0обрCO2(г) = -394,38 кДж/моль;
∆G0обрFe3O4(к) = -1014,20 кДж/моль;
∆G0обрCO(г) = -137,27 кДж/моль.

Подставив найденные значения в выражение для ∆G0х.р. и произведя расчеты, получим:

∆G0х.р. = [3·(-244,3) + (-394,38)] – [(-1014,20) + (-137,27)] = 24,19 (кДж/моль).

Расчеты показали, что ∆G0х.р. > 0, это означает невозможность протекания данного процесса при стандартных условиях.

Ответ: при стандартных условиях процесс самопроизвольного восстановления двуоксида железа оксидом углерода (2) неосуществим, т.к. ∆G0х.р. > 0.
 


Определение изменения энергии Гиббса реакции восстановления фосгена оксидом углерода (II)

Задача 2.
Определите стандартное изменение энергии Гиббса реакции: COCl2(г) <=> CO(г) + Cl2(г), если при температуре 885 К разложилось 80% фосгена, взятого при начальном давлении 100 кПа.
Решение: 
Если до начала реакции парциальное давление СОСl2(г) было равно Р0 = 100 кПа, за время реакции израсходовано 70% газа, то в момент установления равновесия парциальное давление оставшегося фосгена Р0равн:

СОСl2(г) = Р0 · 0,2 = 20 кПа.

Парциальные давления продуктов реакции в состоянии равновесия равны доле израсходованного фосгена, а значит,

Р0равнCO(г) = Р0равнCl2(г) = Р· 0,8 = 80 кПа.

Согласно закону действующих масс для равновесного процесса

Кравн = Р0равнCO(г) · Р0равнCl2(г)/РравнСОСl2(г).

Подставим в это уравнение найденные значения парциальных равновесных давлений продуктов и реагентов и рассчитаем значение константы равновесия:

Кравн = (80 · 80)/20 = 320,0

Теперь, используя уравнение изотермы Вант-Гоффа ∆G0 = –RTlnKp, рассчитаем изменение стандартной энергии Гиббса в состоянии равновесия при заданной температуре:

∆G0 = (-8,31 · 885)Дж/моль · ln320,0 = -42419,89  Дж/моль = –42,4 кДж/моль.

Ответ: в состоянии равновесия при стандартных условиях изменение энергии Гиббса реакции ∆G0х.р.=  –42,4 кДж/моль.