2.2. Задачи с решениями по теме «Основы химической термодинамики»

1. Рассчитайте тепловой эффект (Ho298) химической реакции

Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т)

по значениям стандартных теплот образования веществ (∆H⁰_f, см. таблицу 4). Укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая).

Решение

По данным таблицы 4 стандартные энтальпии образования Na₂O(т), H₂O(ж) и NaOH(т) при 298К равны соответственно –416, –286 и  –427,8 кДж/моль. Используя следствие из закона Гесса, рассчитываем H^o₂₉₈ химической реакции:

H^o₂₉₈ = 2 ∆H⁰_f (NaOH,т) – [∆H⁰_f (Na₂O,т) + ∆H⁰_f (H₂O,ж)] = 2(– 427,8) –

– [–416 + (–286)] = –153,6 кДж.

Ответ: –153,6 кДж., реакция экзотермическая.

2. Рассчитайте величину изменения энтропии (S^o₂₉₈) для процесса Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т),  используя значения стандартных энтропий веществ (см. таблицу 1).

Решение.

Используя справочные данные:  S^o(NaOH,т) = 64,16 Дж/(мольК),

S^o(Na₂O,т) = 75,5 Дж/(мольК),  S^o(H₂O,ж) = 70 Дж/(мольК),  рассчитываем S^o₂₉₈:

S^o₂₉₈ = 2S^o(NaOH,т) – [S^o(Na₂O,т) + S^o(H₂O,ж)] = 264,16 – (75,5 + 70) =

= – 17,18 Дж/К.

 Ответ: –17,18 Дж/К.

3. Рассчитайте изменение энергии Гиббса (G^o₂₉₈) для процесса Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т)  по значениям стандартных энергий Гиббса образования веществ (см. таблицу 1). Возможно ли самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях и 298К?

Решение: 

При стандартных условиях и T=298К  G^o₂₉₈  можно рассчитать как разность суммарной энергии Гиббса образования продуктов реакции и суммарной энергии Гиббса образования исходных веществ. Необходимые справочные данные: G^o_f  (NaOH,т) = –381,1 кДж/моль,  (Na₂O) = –378 кДж/моль, G^o_f  (H₂O,ж) = –237 кДж/моль.

G^o₂₉₈ = 2G^o_f  (NaOH,т) – [G^o_f  (Na₂O,т) + G^o_f  (H₂O,ж)] = 2(–381,1) –

– [–378 + (–237)] = –147,2 кДж.

Значение G^o₂₉₈  отрицательно, поэтому самопроизвольное протекание реакции возможно.

Ответ:  –147,2 кДж;  возможно.

4. Определите, возможно ли при 95^oС самопроизвольное протекание процесса  Na₂O(т) + H₂O(ж)  2NaOH(т).  Ответ обоснуйте, рассчитав величину изменения энергии Гиббса при данной температуре.

Решение:

Переведем температуру в шкалу Кельвина: Т=273+95=368К. Для расчета G^o₃₆₈ воспользуемся уравнением:

G^o₃₆₈ =H^o – TS^o

Воспользуемся изменениями энтальпии и энтропии, рассчитанными для данного процесса в предыдущих задачах. При этом величину изменения энтропии необходимо перевести из  Дж/К  в  кДж/К,  поскольку значения H и G обычно измеряют в кДж.

–17,18 Дж/К = –0,01718 кДж/К

G^o₃₆₈ = –153,6 – 368(–0,01718) = –147,3 кДж.

Таким образом, G^o₃₆₈ < 0, поэтому самопроизвольное протекание данного процесса при 95^oС возможно.

Ответ:  –147,3 кДж;  возможно.

2.3.Контрольные задания по теме «Основы химической термодинамики»

В соответствии с заданием (таблица 3) вычислите:

- изменение энтальпии (H^o₂₉₈) приведенной реакции при 298 К, укажите тип реакции (экзо- или эндотермическая);

- изменение энтропии (S^o₂₉₈) приведенной реакции при 298 К;

- изменение энергии Гиббса (G^o₂₉₈) приведенной химической реакции при 298 К;

- определите возможность протекания реакции при заданной температуре.

Таблица 3