Расчет температуры, при которой наступает равновесие системы. Определение направления реакции

Температура наступления равновесия системы

 

Задача 10.
Термохимическое уравнение реакции: СО(г) + 2H₂(г) = CH₃OH(ж) + 128 кДж.
Вычислите, при какой температуре наступает равновесие в этой системе? 
Решение:
Так как при реакции выделяется тепло, то это экзотермическая реакция. При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и ∆H < 0 (Н₂ < H₁). Тепловые эффекты выражаются через ∆H.
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса (1840 г.): тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.
В термохимических расчетах применяют чаще следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (∆H_х.р.) равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
Энтропия S, так же как энтальпия Н, является свойством вещества, пропорциональным его количеству. Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изменение (∆S) зависит только от начального (S₁) и конечного (S₂) состояния и не зависит от пути процесса:

∆S_х.р. = ∆S⁰_прод. – ∆S⁰_исх. 

Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка (– Т∆S). При Р = const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают ∆G, можно найти из соотношения:

∆G = (Н₂ – H₁) – (TS₂ – TS₁); ∆G = ∆H – T∆S.   

Химическое равновесие - состояние системы, в котором скорость прямой реакции (V₁) равна скорости обратной реакции (V₂). При химическом равновесии концентрации веществ остаются неизменными. Химическое равновесие имеет динамический характер: прямая и обратная реакции при равновесии не прекращаются. 
В состояния равновесия:

∆G = 0 и ∆H = T∆S.

Находим ∆S. для данной системы:

S⁰(СО) = 197,55·10^-3 кДж/моль·К;
S⁰(Н₂) = 130,52·10^-3 кДж/моль·К;
S⁰(СН₃ОН) = 126,78·10^-3 кДж/моль·К;
∆S_х.р. = 126,78·10^-3-(197,55·10^-3) + (2·130,52·10^-3) = -331,81·10^-3.

Из условия равновесия : 

∆H = T∆S находим Т = ∆H/∆S.

Т = (-128 кДж/моль)/(-331,81·10^-3 кДж/моль·К) = 385,7 K.

Ответ: при 385,7 K наступит равновесие в системе.
 

---

Определение направления протекания реакции

Задача 11.
Определить направление протекания реакции:
СН₄(г) + СО₂(г) ⇔ 2СО(г) + 2Н₂(г) при стандартных условиях. Вычислить ∆G⁰₂₉₈ 
Решение:
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса (1840 г.): тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.
В термохимических расчетах применяют чаще следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (∆H_х.р.) равен сумме энтальпий образования ∆H_обр продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

∆Н_х.р. = [2∆Н(СО(г)] + [2∆Н(Н₂(г)] - [∆Н(СН₄(г)]+ [∆Н(СО₂(г)]

т.к. ∆Н для простых веществ равна 0, то выражение принимает вид:

∆Н_х.р. = [2∆Н(СО(г)] - [∆Н(СН4(г)]- [∆Н(СО2(г)]

∆Н_х.р. = 2(-110,53)-(-74,85)-(-393,51) = 247,3 кДж/моль.

Энтропия - функция состояния, т.е. ее изменение (∆S) зависит только от начального (S₁) и конечного (S₂)состояния и не зависит от пути процесса:

∆S_х.р.  =  [2∆S(СО(г)] + [2∆S(Н2(г)] - [∆S(СН4(г)] + [∆S(СО2(г)] = 
= 2(197,55) + 2(130,52) - 186,27 - 213,66 = 256,26·10^-3 кДж/моль·К.

∆G, можно найти из соотношения:

∆G = ∆H – T∆S.

Необходимо рассчитать возможность самопроизвольного протекания реакции при стандартных условиях (Т = 298 K), получим:
 
∆G = 247,3 - (298·256,26·10^-3) = +170,9 кДж.

Ответ: ∆G = +170,9 кДж. Так как ∆G > 0, следовательно, при стандартных условиях невозможно протекание прямой реакции. Реакция может протекать в обратном направлении.

---