Дипломная работа: Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии

В химических реакциях может одновременно изменяется и энергия системы и ее энтропия, поэтому реакция протекает в том направлении, в котором общая суммарная движущая сила реакции уменьшается. Если реакция происходит при постоянном температуре и давлении, то общая движущая сила реакции называется энергией Гиббса (ΔG0) и направление реакции определяется ее изменением.

Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением

ΔG0T=ΔH0T – TΔS0T

При стандартной температуре

ΔG0298=ΔH 0298– TΔS0298

ΔG0298 – стандартная энергия Гиббса, изменение энергии Гиббса при образовании 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях, (кДж/моль).

Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитывают по первому следствию из закона Гесса.

∆rG 0298= ∑(njΔfG0298) прод. -∑ (niΔfG0298)исход.

ΔS0298 - стандартная энтропия 1 моль вещества в стандартном условиях, (Дж/К*моль). Энтропию можно характеризовать как меру беспорядка (неупорядоченности) системы. Эта величина характеризует изменение температуры в системе.

Поскольку энтропия – функция состояния системы, ее изменение (ΔS) в процессе химической реакции можно подсчитать, используя следствие из закона Гесса.

ΔrS0298 =∑ (njΔfS0298) прод. –∑(niΔfS0298)исход

где, nj и ni – количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

ΔrS0298 =∑ (niΔfS0298) исход –∑(njΔfS0298)прод

где, ni и nj - количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

ΔrS0298 – стандартная энтропия реакции, (Дж/К).

ΔfS0298 – стандартная энтропия образования химического вещества, (Дж/К*моль).

Знак « - » перед членом TΔS0298 (энтропийным членом) ставится, для того чтобы при ΔH=0 сделать ∆G отрицательной величиной ΔG<0 – условие самопроизвольного протекания реакции.

Если пренебречь изменением ΔS0 и ΔН0 с увеличением температуры, то можно определить Травн, т.е. температуру, при которой устанавливается химическое равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов, т.е. из условия равновесия реакции ΔG=0 имеем 0=ΔrH 0298– TΔrS 0298, отсюда

Следует знать:

Если ΔS=0 (ΔS>0), ΔH<0(ΔH=0) то ΔG <0 – реакция протекает самопроизвольно, процесс протекает в прямом направлении (энергетически выгоден).

Если ΔS=0(ΔS<0), ΔH>0 (ΔH=0) то ΔG>0 – протекание реакции невозможна, возможна только в обратном направлении (энергетически невыгоден).

Если ΔS=0, ΔH=0 ΔG=0 – система находится в состоянии равновесия.

Примеры решения задач

1. Вычислить тепловой эффект реакции получения гидроксида кальция

СаО(т) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(т), если теплота образование СаО(т) равна +635701,5Дж/моль, теплота образования Н2О(ж) +285835,5 Дж/моль и теплота образования Са(ОН)2 +986823 Дж/моль.

Решение:

Тепловой эффект реакции

 СаО (т) + Н2О (ж) = Са(ОН)2(т) по первому следствию закона Гесса, будет равен теплоте образования Са(ОН)2(т) минус теплота образования Н2О(ж) и теплота образования (СаО(т)):

ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод - ∑(ni• ΔfН0298)исх.

ΔrН0298=1 моль•ΔfН0298(Са(ОН)2(т)) - (1 моль ΔfН0298(СаО(т)) +

+1 моль• ΔfН0298(Н2О (ж)))=1 моль*986823 Дж/моль - (1 моль* 635701,5 Дж/моль +

+ 1 моль*285835,5 Дж/моль)= 65 286 Дж.

Ответ: 65286 Дж.

2. Вычислите изменения энергии Гиббса в реакции димеризации диоксида азота при стандартной температуре, при 0 и 100ºС. Сделать вывод о направлении процесса.

Решение:

При стандартной температуре 298 К изменение энтальпии в реакции

2NO2 (г) N2O4(г) равно (первое следствие закона Гесса)

ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод - ∑(ni• ΔfН0298)исх.

Δ rН0298 =1 моль* 9660 Дж/моль – 2 моль*33800 Дж/ моль = - 57940 Дж

Изменение температуры равно

ΔrS0298 =∑ (nΔfS0298) прод. –∑(nΔfS0298)исход = 1 моль*304 Дж/моль*К -

–2 моль*234 Дж/моль*К = - 164 Дж/К

Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением

ΔG0T =ΔH0T – TΔS0T

При стандартной температуре

ΔrG0298=ΔH 0298– TΔS0298 = - 57940 Дж – (298 К*(-164 Дж/К)) = -9068 Дж/моль

Отрицательное значение энергии Гиббса реакции говорит о том, что смещении равновесия вправо (самопроизвольный процесс), т.е. в сторону образования диоксида азота.

При 0ºС (273К)

ΔrG0273 = -57940 Дж + 273К* 164 Дж/К = -13168 Дж/моль

Более высокое отрицательное значение ΔG273 по сравнению с ΔG0298 свидетельствует о том, что при 273 К равновесие еще больше смещено в сторону прямой реакции.

При 100ºС (373 К)

ΔrG373 = -57940 Дж + 373К*164 Дж/К = 3232 Дж/моль.

Положительная величина ΔG373 указывает на изменение направления реакции: равновесие смещено влево, т.е. в сторону распада димера N2O4 (реакция невозможна). Ответ: при 0ºС (273 К) ΔrG273= -13168 Дж/моль, реакция протекает самопроизвольно; при 100ºС (373 К) ΔrG373= 3232 Дж/моль, реакция невозможна.

3. Составьте термохимическое уравнение горения метана СН4 и рассчитайте объем воздуха, необходимый для сжигания 1моль метана, если известно, что при сгорании 5,6 л метана выделяется 220 кДж теплоты, содержание кислорода в воздухе равно 20%.

Решение:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, ∆Н<0

Находим количество вещества метана объемом 5,6 л

Если при сгорании СН4 количеством вещества 0,25 моль выделяется 220 кДж теплоты, то при сгорании СН4 количеством вещества 1 моль выделяется 880 кДж теплоты.

Термохимическое уравнение:

СН4 +2О2 = СО2+ 2Н2О+ 880 кДж

Из уравнения реакции видно, что на сгорание СН4 количеством вещества 1моль расходуется О2 количеством вещества 2 моль, на сгорание СН4 количеством вещества 0,25 моль расходуется х моль О2, откуда х = 0,5 моль.

Кислород количеством вещества 0,5 моль занимает объем 11,2 л.

В воздухе 20% кислорода, следовательно, объем воздуха будет равен

Ответ: 880 кДж, 56 л.

Задачи для самостоятельного решения

1. Рассчитайте, какая из ниже перечисленных реакций при стандартных условиях может идти самопроизвольно:

а) Fe(к) + Al2O3(к) = Al(к) + Fe2O3(к)

б) Al(к) + Fe2O3 (к)= Fe(к) + Al2O3(к)

в) CuSO4(к) + 2NH4OH(ж) = Cu(OH)2(к) + (NH4)2SO4(к)

г) Al2O3(корунд) + 3SO3 = Al2(SO4)2(к)

2. При сварке трамвайных рельсов используют термитную смесь, которую готовят, смешивая порошки алюминия и оксида железа (III) в количественном отношении 2:1. Термохимическое уравнение горения термитной смеси следующее: 2Al + Fe2O3= Al2O3 + 2Fe + 829,62 кДж. Сколько теплоты выделится при образовании: 1) 4 моль железа; 2) 1 моль железа?

3. Рассчитайте, достаточно ли теплоты, выделяющейся при сгорании 200 кг каменного угля, содержащего 82% углерода, для полного разложения 162 кг карбоната кальция, если для разложения 1 моль СаСО3 необходимо 180 кДж теплоты, а при сгорании 1 моль углерода, входящего в состав каменного угля, выделяется 402 кДж теплоты.

4. Процесс алюминотермии выражается химическим уравнением

8Al + 3 Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe ΔH<0. Рассчитайте, сколько теплоты выделится при сгорании 1 кг термита.

5. Возможен ли обжиг колчедана массой 1т по следующему уравнению химической реакции 4FeS2 + 11O2 →2 Fe2O3 + 8SO2 ∆H<0

6. Вычислите тепловой эффект образования NH3 из простых веществ, при стандартном условии по тепловым эффектам реакции:

2H2 + O2 = 2H2O(ж) ΔН01 = -571, 68 кДж,

NH3 + 3O2 = 6H2O(ж) + 2N2 ΔН02 = -1530,28 кДж.

7. Стандартный тепловой эффект реакции сгорания этана равен -1560 кДж. Рассчитайте стандартную теплоту образования этана, если известно, что

ΔfН0298 (H2O)= -285,84 кДж/моль и ΔfН0298(СО2) = -396,3 кДж/моль.

8. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа водородом, пользуясь следующими данными.

FeO + CO = Fe + CO2 ΔН = -13,19 кДж

CO + 1/2O2 = CO2 ΔН = -283,2 кДж

2H2 + 1/2O2 = 2H2O(г) ΔН = -242 кДж

9. Протекание, какой из приведенных реакций восстановления оксида железа (III) наиболее вероятно при 298 К.

Fe2O3(k) + 3H2(г) = 2Fe(к) + 3H2O(к)

Fe2O3(k) + 3С(графит) = 2Fe(к) + 3СO(к)

Fe2O3(k) + 3СО(г) = 2Fe(к) + 3СО2(к)

10. В какой их перечисленных ниже реакций тепловой эффект ΔН0298 будет стандартной теплотой SO3(г)

а) S(г) + 3/2 O2 = SO3(г)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16