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:

∆G_х.р. =  ∑∆G_{обр(прод)} -  ∑∆G_{обр(реаг)}.

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

∆G⁰_х.р. =[3· ∆G⁰_обрFeO(к) + ∆G⁰_обрCO₂(г)] –
- [∆G⁰_обрFe₃O₄(к) + ∆G⁰_обрCO(г)].

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

∆G⁰_обрFeO(к) = -244,3 кДж/моль;
∆G⁰_обрCO₂(г) = -394,38 кДж/моль;
∆G⁰_обрFe₃O₄(к) = -1014,20 кДж/моль;
∆G⁰_обрCO(г) = -137,27 кДж/моль.

Подставив найденные значения в выражение для ∆G⁰_х.р. и произведя расчеты, получим:

∆G⁰_х.р. = [3·(-244,3) + (-394,38)] –
- [(-1014,20) + (-137,27)] = 24,19 кДж/моль.

Расчеты показали, что ∆G⁰_х.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 Р⁰_равн:

СОСl₂(г) = Р^{0 ·} 0,2 = 20 кПа.

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

Р⁰_равнCO(г) = Р⁰_равнCl₂(г) = Р^0 · 0,8 = 80 кПа.

Согласно закону действующих масс для равновесного процесса

К_равн = Р⁰_равнCO(г) ^· Р⁰_равнCl₂(г)/Р_равнСОСl₂(г).

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

К_равн = (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) ^· ln320,0 =
= -42419,89 Дж/моль = –42,4 кДж/моль.

Ответ: в состоянии равновесия при стандартных условиях изменение энергии Гиббса реакции ∆G⁰_х.р.=  –42,4 кДж/моль.

---