Термохимические расчеты химической реакции | Энергия Гиббса

 

Задача 369. 
Считая, что энтальпия  и энтропия   реакции 4НСl(г) + O2(г) ⇔ 2H2O(г) + 2Cl2(г) не зависят от температуры, найти температуру, при которой константа равновесия этой реакции равна единице.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:  4НСl(г) + O2(г) ⇔ 2H2O(г) + 2Cl2(г).
Из уравнения константа равновесия  следует, что при kT =  - 1 стандартная энергия Гиббса химической реакции равна нулю. Тогда из соотношения константа равновесия  вытекает, что при энергия гиббса  = 0, получим: 0 = 'энтальпия -Tэнтропия  или  'энтальпия = Tэнтропия, откуда  константа равновесия

Согласно условию задачи можно пренебречь зависимостью энтальпия  и энтропия  от температуры и для расчётов использовать стандартные значения энтальпии и энтропии. Стандартные значения энтальпия  и энтропия298  реагирующих веществ равны:

константа равновесия

Стандартные значения энтальпии простых веществ принято считать равными нулю. Находим  энтальпия реакции, используя следствие из закона Гесса:

константа равновесия

Тогда

константа равновесия

Находим  энтропия реакции:

константа равновесия

Отсюда

константа равновесия

Ответ: 886 К.


Задача 370.
Стандартное изменение энергии Гиббса для реакции А + В ⇔ АВ при 298 К равно -8 кДж/моль. Начальные концентрации [А]0 [В]0 = 1 моль/л. Найти константу равновесия реакции и равновесные концентрации веществ А, В и АВ.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

                    А + В ⇔ АВ

Константу равновесия реакции при стандартных условиях можно рассчитать, используя соотношение  энергия гиббса = -5,69lg k298, получим:

константа равновесия

Согласно уравнению реакции из 1 моля вещества А и 1 моля вещества В получается 1 моль вещества АВ. Обозначим количество вещества АВ, полученного при реакции за   моль/л. Тогда равновесные концентрации реагирующих веществ будут равны: [А] = (1 – х) моль/л; [В] = (1 – х) моль/л; [АВ] =  моль/л.

Используя выражение для константы равновесия данной реакции, рассчитаем значение  , получим:

константа равновесия

Таким образом, равновесные концентрации реагирующих веществ будут равны:

                 [А] = [В] = 1 – 0,78 = 0,22 моль/л; [АВ] =  x  = 0,78 моль/л.

Ответ: К = 25,4; [А] =  [В] = 0,22 моль/л; [АВ]  = 0,78 моль/л.


Задача 371.
Почему во многих случаях реакция практически не протекает, хотя энергия гиббса  реакций отрицательно? Какими способами можно в подобных случаях добиться протекания реакции?
Решение:
Следует подчеркнуть, что отрицательный знак энергия гиббса реакции указывает только на возможность протекания этой реакции при стандартных условиях, когда все реагирующие вещества находятся при стандартных условиях (Т=298 К и Р=101,325 кПа). Если же условия изменить, например, активизировать процесс нагреванием, то реакция может начаться. Так, для реакции окисления графита C(рафит) + О2(г) ⇔ СО2(г)  изменение энергии Гиббса имеет отрицательное значение энергия гиббса = -394,34 кДж). Однако при обычных условиях не взаимодействуют с кислородом ни графит карандаша, ни каменный уголь, который состоит, главным образом, из углерода в этой аллотропной модификации. Реакции горения углеводорода (бензин, мазут, природный газ) тоже имеют отрицательное значение  реакции и в обычных условиях не протекают, но стоит только их активизировать подогреванием, как начинается реакция горения этих веществ, сопровождающиеся выделением большого количества теплоты. Все эти реакции протекают с переходом системы из более устойчивого состояния в менее устойчивое, энтропия при этом, энтропия  > 0.

Таким образом при обычных условиях многие реакции, имеющие отрицательное значение энергии Гиббса не протекают, потому что их скорости бесконечно малы. При повышении температуры происходит дополнительное образование активных молекул, которые значительно увеличивают скорость протекания данных реакций.

Для некоторых реакций достаточно ввести в систему катализатор и реакция начинает протекать, для других – нужно подействовать светом или давлением – все это приводит к дополнительному образованию активных частиц в реакционной системе.


Задача 372. 
Для реакции А2(г) + В2(г) ⇔ 2АВ(г) значение энергия гиббса  в некотором интервале температур положительно. Означает ли это, что вещество АВ не может быть получено в этом интервале температур прямым взаимодействием А2 и В2? Ответ обосновать.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:  А2(г) + В2(г) ⇔ 2АВ(г).

Из уравнения реакции следует, что из 1 моля газообразного вещества А2 и 1 моля газообразного вещества В2 образуется 2 моля газообразного вещества АВ, т.е. количество молей газообразных веществ не изменяется, но из двух газообразных веществ (А2 и В2) образуется одно газообразное вещество (АВ), упорядоченность системы возрастает, процесс сопровождается уменьшением энтропии энтропия < 0).

Из уравнения энергия гиббса = энтальпия - Tэнтропия  следует, что при энергия гиббса > 0 член равенства (энтальпия) будет иметь положительное значение. При энтальпия  > 0 член (-Tэнтропия ) будет иметь меньшее целочисленное значение, чем член (энтальпия ). Отсюда вытекает, что только при очень большом значении множителя (Т) член (-Tэнтропия ) станет больше целочисленно, чем член (энтальпия ). Поэтому можно с уверенностью считать, что при энергия гиббса > 0, энтальпия  > 0 и
энтропия < 0 невозможно протекание процесса при определённом допустимом интервале температур.