Как правильно рассчитать стандартное изменение энергии Гиббса реакции

 

Определение изменения энергии Гиббса реакции восстановления природного минерала магнетита оксидом углерода (2)

 

Задача 1.
Восстановление природного минерала магнетита Fe3O4 оксидом углерода (2) 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 (2)

 

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)/Р равнСОСl2(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.