Можно ли получить при стандартных условиях

Вычисление энергии Гиббса

Задание 101. 
Вычислите  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   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:

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

То, что  > 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   реакции, получим:

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

То, что  < 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);   = -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);   = -114,42 кДж?

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

Для данной реакции:

  = 2(Н2О) + 2 (Cl2) – (4 (HCl) +  (O2);
  = 2(188,72) + 2(222,95) –[ 4(186,69) + 205,03] = 128,41 Дж/моль . К.

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

  =   — Т

При   = 0 получим равенство:

  = Т

Тогда

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

Находим энергии Гиббса реакции:

  =   — Т = -114,42 – 298(-0б12841) = -76б15 кДж.

Так как   < 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   и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях, Чему равно   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:

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

То, что  > 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  из соотношения:

Для данной реакции:

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

  = (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   и  . 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   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:

   = 2 (CO2) +  (Н2O)  – [(С2Н2) + 5/2(O2)];
  = 2(-394,38) + (-237,19) — [(209,20) = -1235,15 кДж.

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

Значения   находим из специальных таблиц.
Для данной реакции:

  = 2S0(СО2) +  S0(Н2О) – [( S0(С2Н2) + 5/2 So(O2);
 = (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,   < 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 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.),   > 0 Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, упорядочение связей, полимеризация и т.п.)  ведут к уменьшению энтропии,  < 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,  > 0.
Уравнение реакции имеет вид:

Н2О (ж) → Н2О (г);

  =  [Н2О] (г) —   [Н2О] (ж);
 = 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,   < 0.
 Уравнение реакции имеет вид:

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

Значения   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);   = -2,85 кДж.
Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите  этой реакции. Ответ: +19,91 кДж.
Решение:

Уравнение реакции имеет вид:

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

Значения   находим из специальных таблиц.

Для данной реакции:

  =  S0(СО) + S0 (Н2О) – [( S0(Н2) +  (S0СO2)];
  = (197,91 + 69,94) – (130,59 + 213,65) = -76,39 Дж/моль . К.

Теперь вычислим   реакции из уравнения Гиббса:

  =   — Т;
  = -2,85 – 298(-76,39) = +19,91 кДж.

То, что  > 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  прямой реакции. Ответ: -69,70 кДж.
Решение:
Уравнение процесса:

2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (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:

 = 2(NO2) — 2Г(NO) = 2 . 51,84 – 2  .  86,69  = -69,70 кДж.

То, что  < 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.