Расчет энергии Гиббса и энтропии химической реакции

Вычисление энергии Гиббса

Задание 101. 
Вычислите энергия гиббса  для следующих реакций:

а) 2NaF (к) + Cl2 (г) = 2NaCl (к) + F2 
б) PbO2 (к) + 2Zn (к) = Pb (к) + 2ZnO (к)
Можно ли получить фтор по реакции (а) и восстановить РbO2 цинком по реакции (б). Ответ: +313,94 кДж; -4 17,4 кДж.
Решение: Реакция имеет вид:

2NaF (к) + Cl2 (г) = 2NaCl (к) + F2

Для вычисления энергии Гиббса прямой реакции используются значения энергия гиббса  соответствующих веществ, приведённых в специальных таблицах. Зная, что энергия гиббса  есть функция состояния и, что энергия гиббса  для простых веществ, находящихся в устойчивом при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим  энергия гиббса, получим:

 энергия гиббса = 2энергия гиббса (NaCl) - 2энергия гиббса(NaF) = 2(-384,03) – 2(-54!,0) = +313,94 кДж.

То, что энергия гиббса > 0, указывает на невозможность протекания прямой реакции при Т = 298 К и давлении взятых газов равном 1,01325 Па (760 мм. рт. ст. = 1 атм). 

б) Реакция имеет вид:

PbO2 (к) + 2Zn (к) = Pb (к) + 2ZnO (к)

Находим энергия гиббса  реакции, получим:

энергия гиббса = 2энергия гиббса(ZnO) - энергия гиббса(PbO2) = 2(-318,2) – (-219,0) = -417,4 кДж.

То, что энергия гиббса < 0, указывает на возможность протекания прямой реакции при Т = 298 К и давлении взятых газов равном 1,01325 Па (760 мм. рт. ст. = 1 атм).

Ответ: +313,94 кДж; -4 17,4 кДж.


Равновесие системы 

Задание 102. 
При какой температуре наступит равновесие системы
4НСI (г) + 02 (г)  2Н2О (г) + 2С12 (г);   энтальпия= -114,42 кДж?
Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем и при какой температуре? Ответ: 891 К.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

4НСI (г) + O2 (г)  2Н2О (г) + 2С12 (г);  энтальпия = -114,42 кДж?

энтальпия  < 0, значит, реакция экзотермическая, идёт с выделением теплоты.
Находим энтропия  из соотношения:

тепловой эффект

Для данной реакции:

 энтропия = 2энтропия2О) + 2 энтропия(Cl2) – (4энтропия (HCl) +  энтропия(O2);
 энтропия = 2(188,72) + 2(222,95) –[ 4(186,69) + 205,03] = 128,41 Дж/моль . К.

Зная  энтальпия  и энтропия, и, то, что  энергия гиббса = 0 можно вычислить температуру, при которой наступит равновесие системы, получим:

 энергия гиббса =  энтальпия - Тэнтропия

При   энергия гиббса= 0 получим равенство:

 энтальпия = Тэнтропия

Тогда

Т = энтальпияэнтропия = 114,42/(128,41 . 10-3) = 891 K.

Находим энергию Гиббса реакции:

  энергия гиббса=   энтальпия- Тэнтропия = -114,42 – 298(-0б12841) = -76б15 кДж.

Так как  энергия гиббса < 0, то реакция при стандартных условиях возможна, т.е. будет идти окисление хлора и при данных условиях (Т = 298) кислород является более сильным окислителем до температуры 891 К, т. е. до тех пор пока не наступит состояние равновесия системы, а выше 891 К более сильным окислителем станет кислород.

Ответ: 891 К.


Задание 103.
Восстановление Fe3O4 оксидом углерода идет по уравнению
Fe3O4 (к) + СО (г) = 3ЕеО (к) + СO2 (г)
Вычислите энергия гиббса  и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях, Чему равно энтропия  в этом процессе? Ответ. +24,19 кДж; + 31,34 Дж/(моль . К).
Решение:
Реакция имеет вид:

Fe3O4 (к) + СО (г) = 3ЕеО (к) + СO2 (г)

Для вычисления энергии Гиббса прямой реакции используются значения   соответствующих веществ, приведённых в специальных таблицах. Зная, что   есть функция состояния и, что   для простых веществ, находящихся в устойчивом при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим  , получим:

 энергия гиббса= 3энергия гиббса (FeO) + энергия гиббса (CO2) – [энергия гиббса (Fe3O4) + энергия гиббса (CO)]; 
  энергия гиббса= 3(-244,3) + (-394,38) - [(-1014,2) + (-137,27) = +24,19 кДж.

То, что энергия гиббса > 0, указывает на невозможность протекания прямой реакции при Т = 298 К и давлении взятых газов равном 1,01325 Па (760 мм. рт. ст. = 1 атм).

Находим энтропия из соотношения:

тепловой эффект

Для данной реакции:

 энтропия = энтропия FeО) +  энтропия(CO2) – [энтропия(Fe3O4) + )энтропия))э (CO)];

  энтропия= (3 . 54,0 + 213,65) – (146,4 + 197,91) = +31,34 Дж/моль . К.

Ответ. +24,19 кДж; + 31,34 Дж/(моль . К).


Энтропия системы

Задание 104.
Реакция горения ацетилена идет по уравнению
С2Н2 (г) + 5/2О2 (г) = 2СО2 (г) + Н2О (ж)
Вычислите энергия гиббса  и энтропия . Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции. Ответ: -1235,15 кДж; -216,15 Дж/(моль . К).
Решение:
Реакция имеет вид:

С2Н2 (г) + 5/2О2 (г) = 2СО2 (г) + Н2О (ж)

Для вычисления энергии Гиббса прямой реакции используются значения энергия гиббса  соответствующих веществ, приведённых в специальных таблицах. Зная, что энергия гиббса  есть функция состояния и, что  энергия гиббсадля простых веществ, находящихся в устойчивом при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим  энергия гиббса, получим:

  энергия гиббса = 2энергия гиббса (CO2) +  энергия гиббса2O)  – [энергия гиббса2Н2) + 5/2энергия гиббса(O2)];
 энергия гиббса = 2(-394,38) + (-237,19) - [(209,20) = -1235,15 кДж.

Энтропия (энтропия) является функцией состояния, т. е. её изменение зависит только от начального (S1) и конечного (S2) состояний и, не зависит от пути процесса:

тепловой эффект

Значения энтропия  находим из специальных таблиц.
Для данной реакции:

  энтропия= 2S0(СО2) +  S02О) – [( S02Н2) + 5/2 So(O2);
энтропия = (2 . 213,65 + 69,94) – (200,82 + 5/2 .205,03) = -216,15 Дж/моль . К.

Уменьшение энтропии объясняется тем, что система в результате реакции переходит в более устойчивое состояние, так как из 3,5 объёмов газообразных веществ происходит образование 2 объёмов газообразных веществ и образуется 1 моль жидкого вещества, т. е. объём системы уменьшается, и агрегатное состояние вещества упорядочивается,  энтропия < 0.

Ответ: -1235,15 кДж; -216,15 Дж/(моль . К).


Задание 105.
Уменьшается или увеличивается энтропии при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? Вычислите энтропия для каждого превращения. Сделайте вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях. Ответ: а) 118,78 Дж(моль . К); 6) -3,25 Дж/(моль . К).
Решение:
Энтропия является свойством вещества, пропорциональным его количеству. Она обладает аддитивными свойствами, т. е. при соприкосновении систем суммируется. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц (при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п.),  энтропия > 0 Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, упорядочение связей, полимеризация и т.п.)  ведут к уменьшению энтропии, энтропия < 0.
а) Изменение значений энтропии при переходе  воды в пар. 
При переходе воды в пар энтропия будет возрастать, потому что  при испарении воды происходит увеличение движения молекул, т. е. система переходит в менее устойчивое состояние, из жидкого в газообразное, энтропия > 0.
Уравнение реакции имеет вид:

Н2О (ж)  Н2О (г);

 энтропия =  [Н2О] (г) -   [Н2О] (ж);
энтропия = 188,72 – 69,94 = +118,78 Дж/моль . К.

 б) Изменение значений энтропии при переходе. При переходе графита в алмаз образуются более прочные связи между атомами углерода в алмазе, чем в графите, т. е. происходит процесс с упорядоченностью системы, упрочнение связей, что ведёт к уменьшению энтропии,   энтропия< 0.
 Уравнение реакции имеет вид:

С (графит) → С (алмаз);
 энтропия = S0 С (алмаз) -   S0С (графит);
 энтропия = 2,44 – 5,69 = -3,25 Дж/моль . К.

Значения энтропия  взяты из специальных таблиц.

Ответ: а) 118,78 Дж(моль . К); 6) -3,25 Дж/(моль . К).


Определение энергии Гиббса реакции 

Задание 106.
Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция
Н2 (г) + СО2 (г) = СО (г) + Н2О (ж);  энтальпия = -2,85 кДж.
Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите энергия гиббса этой реакции. Ответ: +19,91 кДж.
Решение:

Уравнение реакции имеет вид:

Н2 (г) + СО2 (г) = СО (г) + Н2О (ж);   энтальпия= -2,85 кДж.

Значения энтропия  находим из специальных таблиц.

Для данной реакции:

  энтропия=  S0(СО) + S02О) – [( S02) +  (S0СO2)];
 энтропия = (197,91 + 69,94) – (130,59 + 213,65) = -76,39 Дж/моль . К.

Теперь вычислим энергия гиббса  реакции из уравнения Гиббса:

 энергия гиббса =   энтальпия- Тэнтропия;
  энергия гиббса= -2,85 – 298(-76,39) = +19,91 кДж.

То, что энергия гиббса > 0, указывает на невозможность протекания прямой реакции при Т = 298 К и давлении взятых газов равном 1,01325 Па (760 мм. рт. ст. = 1 атм).

Ответ: +19,91 кДж.


Задание 107.
Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе
2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)
Ответ мотивируйте, вычислив  энергия гиббсапрямой реакции. Ответ: -69,70 кДж.
Решение:
Уравнение процесса:

2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)

Для вычисления энергии Гиббса прямой реакции используются значения энергия гиббса  соответствующих веществ, приведённых в специальных таблицах. Зная, что  энергия гиббса есть функция состояния и, что  энергия гиббса для простых веществ, находящихся в устойчивом при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим  энергия гиббса, получим:

 энергия гиббса= 2энергия гиббса(NO2) - 2энергия гиббсаГ(NO) = 2 . 51,84 – 2  .  86,69  = -69,70 кДж.

То, что энергия гиббса < 0, указывает на возможность протекания прямой реакции при Т = 298 К и давлении взятых газов равном 1,01325 Па (760 мм. рт. ст. = 1 атм.), обратная реакция не протекает при н. у..

Ответ: -69,70 кДж.