Расчет термодинамических величин (энтальпии, энтропии, энергии Гиббса) реакций восстановления оксидов железа
Реакция восстановления железа оксида железа (ΙΙΙ) водородом
Задача 14.
Вычислите ∆H°, ∆S° и ∆Gт° реакции, протекающей по уравнению:
Fe2O3(к) + 3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)
Возможна ли реакция восстановления Fe2O3(к) водородом при 500 и 1000 К?
Решение:
1. Расчет энтальпии реакции
В химической реакции, протекающей по уравнению:
Fe2O3(к) + 3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г)
Тепловой эффект реакции (∆Нх.р.), исходя из следствия закона Гесса, равен сумме теплот образования ∆Нобр. продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.
∆Нх.р.= ∑Нобр.прод. - ∑Нобр.исх.
∆Нх.р.= [2∆Н°Fe(к) + 3∆Н°Н2О (г)] –
- [∆Н° Fe2O3(к) + 3∆Н°Н2(г)]
- теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю;
- теплота образования Н2О (г) равна -241,83 кДж;
- теплота образования Fe2O3(к) равна -822,10 кДж .
Исходя из указанных данных получим:
∆Нх.р.= 3(-241,83) – (-822,10) =
= -725,49 – (-822,10) = 96,61 кДж.
Ответ: ∆Нх.р.= 96,61 кДж
2. Расчет энтропии реакции
Изменение энтропии продуктов химической реакции, протекающей по уравнению:
Fe2O3(к)+3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г),
Рассчитывается по формуле:
∆Sх.р.= ∑Sпрод. - ∑Sисх.
∆Sх.р.= [2∆S°Fe(к) +3∆S°Н2О (г)] –
- [∆S°Fe2O3(к) + 3∆S°Н2г], где:
∆S°Fe(к) = 27,2 Дж/(моль.К);
∆S°Н2О (г)) = 188,72 Дж/(моль.К)
∆S° Fe2O3(к) = 89,96 Дж/(моль.К)
∆S° O/H2(г) = 130,59 Дж/(моль.К)
С учетом этих данных рассчитаем изменение энтропии реакции, получим:
∆S°х.р.= 2(27,2) + 3(188,72) – (89,96) + 3(130,59) =
= 620,56 - 481,73 = 138,83 Дж/(моль.К).
Ответ: ∆S°х.р.= 138,83 Дж/(моль.К)
3. Расчет термического потенциала или энергии Гиббса
Мерой химического сродства (∆G°) является убыль энергии Гиббса (изменение изобарно- термического потенциала или энергии Гиббса).
Убыль энергии Гиббса ∆G°х.р. в химической реакции:
Fe2O3(к) + 3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г),
вычисляем по формуле:
∆G°х.р. = ∆Н° - Т.∆S°
∆G°х.р. = 96,61 – (298 . 0,3883 =
= 96,61- 41,37 = +55,24 кДж.
Ответ: ∆G°х.р. = +55,24 кДж
Т.к. ∆G°х.р. > 0, то реакция при стандартных условиях невозможна; при этих условиях пойдет обратная реакция - окисление железа (коррозия).
4. Определение температуры начала реакции восстановления Fe2O3 CO
∆Н = Т.∆S, отсюда
Т = ∆Н/∆S = 96,61/0,13883 = 695,9 К.
5. Расчитаем энергию Гиббса данной реакции при 500 К.
∆G°500 = 96,61-(500 . 0,13883) = +27,19 кДж.
Таким образом, ∆G при температуре 500 К составляет +27,19 кДж, т.е. ∆G > 0 и это означает, что реакция при 500 К. невозможна1.
6. Расчитаем энергию Гиббса данной реакции при 1000 К
При температуре 1000 К находим ∆G01000 аналогично:
∆G°1000 = 96,61 – (1000 . 0,13883 =
= 96,61 - 138,83 = -42,22 кДж. ∆G01000 =
= -42,22 кДж.
Так как ∆G01000 < 0, то при температуре 1000 К реакция возможна1.
Реакция восстановления оксида железа (ΙΙ) оксидом углерода (ΙΙ)
Задача 15.
Подсчитайте значения ∆Н, ∆S, ∆G рекции: FeO + CO = Fe + CO2, определите, при каких условиях она возможна?
Решение:
∆Н°(FeO) = -264,8 кДж/моль;
∆Н°(CO) = -110,5 кДж/моль;
∆Н°(CO2) = -393,5 кДж/моль;
∆S°(Fe) = 27,15 Дж/(моль К);
∆S°(FeO) = 60,8 Дж/(моль К);
∆S°(CO) = 197,5 Дж/(моль К);
∆S°(CO2) = 213,7 Дж/(моль К);
∆G°(FeO) = -244,3 кДж/моль;
∆G°(CO) = -137,1 кДж/моль;
∆G°(CO2) = -394,4 кДж/моль.
1. Рассчитаем ∆Н° реакции, получим:
Расссчитывается по формуле:
∆Нх.р.= ∑Нобр.прод. - ∑Нобр.исх.
Тогда
∆Н°х.р. = ∆Н°(СO2) - [∆Н°(FeO) + ∆Н°(CeO)] =
= -393,5 - [(-264,8) + (-110,5)] = -393,5 - (-375,3) =
= -18,2 кДж/моль.
Так как ∆Н°х.р. < 0 то данная реакция сопровождается выделение теплоты в окружающую среду, значит данная реакция экзотермическая. Экзотермические реакции - это химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты в окружающую среду.
2. Рассчитать ∆S° реакции,получим:
Расссчитывается по формуле:
∆Sх.р.= ∑Sпрод. - ∑Sисх.
Тогда
∆S°х.р. = [∆S°(CO2) + ∆S°(Fe)] - [∆S°(FeO) + ∆S°(CO)] =
= (213,7 + 27,15) - (60,8 + 197,5) = -17,45 Дж/(моль К).
Отрицательное значение изменения энтропии (убывание энтропии) свидетельствует об увеличении упорядоченности данной системы и, действительно, хотя в реакции объем газов не изменяется, но Fe значительно более устойчив чем FeO.
3. Рассчитаем G° реакции, получим:
Расссчитывается по формуле:
∆Gх.р.= ∑∆Gобр.прод. - ∑∆Gобр.исх.
∆G°х.р. = ∆G°(CO2) - [∆G°(FeO) + ∆G°(CO)] =
= -394,4 - [(-244,3) + (-137,1)] = -12,9 кДж/моль.
Расчеты показали, что ∆G°х.р. < 0, это означает возможность протекания данного процесса при стандартных условиях.
1Примечание:
Поскольку изначальная температура, при которой начинается реакция по уравнению:
Fe2O3(к) + 3Н2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О (г), из вышеприведенных расчетов равна 695.9 К, то путем сравнения температур можно сразу определить, что при температуре 500 К реакция не пойдет, а при температуре выше 695.9, т.е. при 1000 К пойдет с получением продуктов согласно уравнению.
