Примеры решения задач по химии

 

Пример 2. Определите возможность самопроизвольного протекания реакции восстановления оксида хрома (III) углеродом при 298К и 1500К.

Р е ш е н и е. 1) Записываем уравнение этой реакции с указанием агрегатного состояния реагирующих веществ: Cr2O3 (т) +3C(т) = 2Cr(т) + 3CO(г)

2) Согласно условию задачи необходимо ответить на вопрос: будет ли данная реакция протекать в прямом направлении? Критерием направленности химической реакции является изменение энергии Гиббса, а условием самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении является соотношение ∆G < 0. Поэтому для решения задачи необходимо определить величину ∆G.

3) Определяем, будет ли данная реакция осуществляться при Т=298К, отвечающей стандартным условиям. Рассчитываем ∆G по уравнению (6), которое для данной реакции имеет вид:

∆G0298 = (2×∆G0f, 298Cr + 3×∆G0f, 298 CO) – (∆G0f, 298 Cr2O3 + 3×∆G0f, 298C)

Для расчета используем значения ∆G0f, 298 приведенные в табл.2

Так как ∆G0f, 298 простых веществ Cr и С равны нулю, то уравнение упрощается:

∆G0298 = 3 моль×(-137,3 кДж/моль) – 1 моль×(-1046,8 кДж/моль)=
=-411,9 кДж + 1046,8 кДж = 634,9 кДж.

Вывод: ∆G0298 > 0, поэтому в стандартных условиях невозможно самопроизвольное протекание процесса в прямом направлении, т.е. при 298К невозможно восстановить Cr2O3 до Cr.

4) Выясняем, возможна ли данная реакция при 1500К. В условиях, отличающихся от стандартных, расчет величины ∆G0Т осуществляется по уравнению (7):
∆GТ = ∆H0298 – T×∆S0298. Рассчитаем тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях, используя уравнение (3) и значения ×∆H0f, 298 из табл.2.

∆H0298 = (2×∆H0f, 298 Cr + 3×∆H0f, 298 CO) – (∆H0f, 298 Cr2O3 + 3∙∆H0f, 298 С).

Но ∆H0f, 298 Cr = 0 и ∆H0f, 298 С = 0, поэтому имеем

∆H0298 = 3∙∆H0f, 298 CO – ∆H0f, 298 Cr2O3,

∆H0298 = 3 моль×(–110,5 кДж/моль) – 1 моль∙(–1141,0 кДж/моль) = 331,5 кДж + 1141,0 кДж = 809,5 кДж , ∆H0298 > 0, значит реакция эндотермическая.

Определим изменение энтропии реакции при стандартных условиях. Для расчета используем уравнение (4) и значения S0 298 из табл.2.

∆S0298 = (2×S0 298 Cr + 3×S0 298 CO) – (S0 298 Cr2O3 + 3×S0 298 С),

∆S0298 = (2 моль×23,8 Дж/моль∙К + 3 моль×197,4 Дж/моль∙К) – (1 моль
×81,1 Дж/моль∙К + 3 моль×5,7 Дж/моль∙К) = 639,8 – 98,2 = 541,6   Дж/К.

∆S0298 > 0, т. е. реакция сопровождается увеличением энтропии.

Рассчитаем энергию Гиббса химической реакции при Т = 1500К, т.е. величину ∆G1500: ∆G1500 = ∆H0298 – 1500×∆S0298 ,

∆G1500 = 809,5 кДж – 1500К×541,6 Дж/К = 809,5 кДж – 1500×541,6 Дж.

Как видно, члены этого уравнения имеют разную размерность, поэтому приводим их к одной размерности 1 Дж = 1∙10-3 кДж и тогда имеем

∆G1500 = 809,5 – 1500×541,6/1000 = 809,5 – 812,4 = –2,9 кДж.

Вывод: ∆G1500 < 0, значит при 1500К данная реакция протекает самопроизвольно, и при этих условиях можно получить металлический хром.

Таблица 2

Термодинамические величины некоторых веществ в стандартных условиях:

∆H0f, 298 кДж/моль, S0 298 Дж/моль∙К, ∆G0f, 298 кДж/моль.

Вещество

∆H0f 298

S0 298

∆G0f, 298 

Вещество

∆H0f, 298

S0 298

∆G0f, 298 

Al (т)

0

+23,3

0

HCl(г)

-92,3

+187,6

-95,3

Al2O3(т)

-1375,0

+50,9

-1576,4

H2S(г)

-20,2

+205,6

-33,0

Al2(SO4)3(т)

-3434,0

+239,2

-3091,9

H2Se(г)

+86,0

+221,0

+71,0

C(т)

0

+5,7

0

H2Te(г)

+154,0

+234,0

+138,0

CO(г)

-110,5

+197,4

-137,3

Mg(т)

0

+32,0

0

CO2(г)

-393,0

+214,0

-394,0

MgO(т)

-601,2

+26,9

-569,6

Cl2(г)

0

+223,0

0

MgCO3(т)

-1096

+65,7

-1029

CaO(т)

-635,1

+29,7

-604,2

MgCl2(т)

-641,7

+89,7

-592,2

Ca(OH)2(т)

-966,2

+83,4

-896,8

N2(г)

0

+191,5

0

CaCO3(т)

-1206,0

+92,3

-1128,8

NH3(г)

-46,2

+192,5

-16,6

Cr(т)

0

+23,8

0

NO(г)

+90,4

+210,6

+86,7

Cr2O3(т)

-1141,0

+81,1

-1046,8

NO2(г)

+33,9

+240,5

+51,8

Cu(т)

0

+33,0

0

NH4Сl(т)

-315,4

+94,5

-343,6

CuO(т)

-156,0

+43,0

-127,0

O2(г)

0

+205,0

0

Fe(т)

0

+27,2

0

SO2(г)

-296,9

+248,1

-300,4

Fe2O3(т)

-821,3

+90,0

-741,0

SO3(г)

-395,2

+256,2

-370,4

H2(г)

0

+130,6

0

S(т)

0

+31,9

0

H2O(г)

-241,8

+188,7

-228,8

Ti(т)

0

+31,0

0

H2O(ж)

-285,8

+70,0

-237,5

TiCl4(г)

-759,0

+353,1

-714,0

Ядерная и нейтронная физика http://fislub.ru/ Задачник
Математика, сопротивление материалов, электротехника лекции, задачи