Вычисление энергии Гиббса, энтропии, энтальпии и температуры химической реакции

 Возможность протекания реакции при заданной температуре

Задание 115. 
На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите   реакции, протекающей по уравнению
СО (г) + 3Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О (г)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: —142,16 кДж.
Решение:
Уравнение процесса: 

СО (г) + 3Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О (г)

Значения энтальпия  и  энтропия находим из соотношений:

тепловой эффект

Значения  энтальпия  и энтропия  находим из специальных таблиц, получим. Учитываем, что   простых веществ принято равным нулю, получим:

энтальпия  =  энтальпия(СН4) + энтальпия2О) –  энтальпия (СО)];
энтальпия = -74,82 + (241,83) – (110,52) =  -206,16 кДж;
энтропияS0 (СН4) +  S0(H2O)  – [S0 (СО) + 3S0 (Н2)];
энтропия = (186,19 + 188,72) – [197,91 + 3(130,59)] = -214,77 Дж/моль . К.

 Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения:

 энергия гиббса= энтальпия - Tэнтропия;
энергия гиббса = -206,16   – 298(-0,21477) = -142,16 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:  -142,16 кДж.


 Задание 116.
Вычислите энтальпия , энтропия  и  энергия гиббса  реакции, протекающей по уравнению:

ТiО2 (к) + 2С (к) = Тi (к) + 2СО (г)
Возможна ли реакция восстановления ТiО2 углеродом при 1000 и 3000 К? Ответ: +722,86 кДж; 364,84 Дж/моль . К; +358,02 кДж; -371,66 кДж.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

ТiО2 (к) + 2С (к) = Тi (к) + 2СО (г)

Значения энтальпия  и энтропия  находим из соотношений:

тепловой эффект
Значения энтальпия   и энтропия  находим из специальных таблиц, получим:

 энтальпия = 2энтальпия (СО) – ( энтальпия(ТiO2);
энтальпия  = 2(-110,52) - (-943,9)] = +722,86 кДж;

 энтропия = 2S0 (CО) +  S0(Ti) – [S0 (TiO2) + 2S0 (C)];
энтропия  = (2 .197,91) + 30,7.) – (50,3 + 2 . 5,69) = -364,84 Дж/моль . К.

 

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения:

  энергия гиббсаэнтальпия - Tэнтропия;
 энергия гиббса1000 = +722,86  – 1000(-0,36484) = +358,02 кДж;

То, что энергия гиббса1000 > 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), т. е. при температуре 500 К восстановление ТiO2 углеродом не протекает.

энергия гиббса3000  = +722,86  – 3000(-0,36484) = -371,66 кДж.

То, что  энергия гиббса3000< 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), т. е. при температуре 2000 К восстановление  ТiO2 углеродом протекает.

Ответ: +722,86 кДж; 364,84 Дж/моль . К; +358,02 кДж; -371,66 кДж.


Вычисление энергии Гиббса реакции

 Задание 117. 
На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите энергия гиббса  реакции, протекающей по уравнению 

С2Н4 (г) + 3О2 (г) = 2СО2 (г) +2Н2О (ж)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -1331,21 кДж.
Решение:
Уравнение процесса: 

С2Н4 (г) + 3О2 (г) = 2СО2 (г) +2Н2О (ж)

Значения энтальпия  и энтропия  находим из соотношений:  

тепловой эффект

Значения энтальпия и энтропия  находим из специальных таблиц, получим. Учитываем, что   простых веществ принято равным нулю, получим:

 энтальпия =  2энтальпия (Н2О) + 2 энтальпия(СО2) –   энтальпия2Н4)];

 энтальпия = [2(-285,84) + 2(-393,51) – (52,28) = -1410,98 кДж;
 энтропия = 2S0 (H2O) + 2S0 (CO2)  –[S0 (С2Н4)) + 3S0 (O2)] ;
 энтропия = 2(213,65) + 2(69,94) – [219,45 + 3(205,03)] = -267,36 Дж/моль . К.

Энергию Гиббса при соответствующих температурах находим из соотношения:

  энергия гиббсаэнтальпия - Tэнтропия;
 энергия гиббса = -1410,98   – 298(-0,26736) = -1331,31 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: -1331,21 кДж.


Температура начала реакции

 Задание 118.
Определите, при какой температуре начнется реакция восстановления Fe3O4, протекающая по уравнению:
Fe3O4 (к) + СО (г) =ЗFеО (к) + СO2 (г);  энтальпия= +34,55 кДж. Ответ: 1102,4 К.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид: 

Fe3O4 (к) + СО (г) =ЗFеО (к) + СO2 (г);  энтальпия= +34,55 кДж. 

Значения  энтропия  находим из соотношений: 

тепловой эффект

 Значения   находим из специальных таблиц, получим:

  энтропия =  3S0  (FeО) +  S0 (СО2) –  [S0  (Fe3O4) +  S0 (СО)];
  энтропия= [3(54,0) + (213,65) – (146,4 +197,91) = +31,34 Дж/моль . К.

 

Найдём температуру, при которой энергия гиббса  = 0: 

 0энтальпия - Tэнтропия;
 энтальпия= Тэнтропия;
Т = энтальпия /энтропия  = 34,55/0,3134  1102,4 К.

 

Следовательно, при температуре 1102,4 K начнется реакция  восстановления Fe3O4. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

 Ответ:  1102,4 К.


Задание 119. 
Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по уравнению:
РС15 (г) = РСI3 (г) + С12 (г);  энтальпия = +92,59 кДж.Ответ: 509 К.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

РС15 (г) = РСI3 (г) + С12 (г);  энтальпия = +92,59 кДж.

Значения  энтропия  находим из соотношений:

тепловой эффект

Значения  энтропия находим из специальных таблиц, получим:

энтропия  =    S0(Cl2) +  S0 (PCl3) –   S0 (PCl5);
энтропия  = (311,66 + 222,95) – 352,71 = +18,19 Дж/К.

Найдём температуру, при которой энергия гиббса  = 0:

 0энтальпия - Tэнтропия;
 энтальпия= Тэнтропия;
Т = энтальпия /энтропия= 92,59/0,1819  509 К.

Следовательно, при температуре 509 K начнется диссоциация пентахлорида фосфора. Иногда эту температуру называют температурой начала реакции.

 Ответ:  509 К.


Изменения энтропии для реакции

 Задание 120. 
Вычислите изменения энтропии для реакций, протекающих по уравнениям:
2CH4 (г) = С2Н2 (г) + 3Н2 (г);
N2 (г) +3Н2 (г) = 2NH3 (г):
С (графит) + О2 (г) = СО2 (г).
Почему в этих реакциях энтропия   > 0. Ответ: 220,21 Дж/К; -198,26 Дж/К; 2,93 Дж/К.
Решение:
Изменение энтропии для реакций вычислим из соотношения

  •  тепловой эффект
    а) 2CH4 (г) = С2Н2 (г) + 3Н2 (г);
    энтропия  =  3S02) +  S02Н2) –  2S0 (СН4);
     энтропия = 3(130,59) + 200,82 – 2(186,19) = +220,21 Дж/K

 энтропия > 0, потому что реакция протекает с увеличением объёма, из 2 моль газообразного метана образуется 4 моль газообразных веществ, т. е. возрастает неупорядоченность системы.

б) N2 (г) +3Н2 (г) = 2NH3 (г);
  энтропия=  2S0 (NH3) -  S0(N2) –  3S0 (H2);
  энтропия= 2 . 192,5 –(191,49 + 3 . 130,59) = -198,26 Дж/K

  энтропия< 0, потому что реакция протекает с уменьшением объёма, из 4 моль газообразных веществ образуется 2 моль газообразного вещества, т. е. возрастает упорядоченность системы.

в) С (графит) + О2 (г) = СО2 (г);
 энтропия =   S0(СО2) – [S0 (С) +  S02)];
энтропия  = 213,65 –(5,69 + 205,03) = +2,93 Дж/K

 энтропия > 0, потому что происходит увеличение неупорядоченности системы за счёт того, что углерод из твёрдого состояния переходит в состав газообразного вещества СО2

Ответ: 220,21 Дж/К; -198,26 Дж/К; 2,93 Дж/К.