Заказ №38812

а) рассчитать стандартную энтальпию и энтропию; б) объяснить, какой из факторов: энтропийный или энтальпийный способствует самопроизвольному протеканию реакции в прямом направлении; в) в каком направлении (прямом или обратном) будет протекать реакция при 298К и 1000К; г) рассчитать температуру, при которой равновероятны оба процесса; д) назвать все способы увеличения концентрации продуктов равновесной смеси. е) построить график зависимости ΔGр (кДж) от Т (К) СН4 (г)+2О2 (г) = СO2 (г) + 2H2О(г)

Решение:

1. Для проведения термодинамических расчетов используют справочные данные (таблицы термодинамических величин), в которых приводятся чаще всего стандартные энтальпии образования, энергии Гиббса образования и энтропии различных веществ: ΔН0 298, ΔG 0 298, S 0 298. Стандартная энтальпия образования и энергия Гиббса образования простых веществ принимаются равными нулю. Если элемент образует несколько простых веществ, то стандартным считается состояние элемента в виде наиболее устойчивой в данных условиях модификации (кислород, ромбическая сера, графит, кристаллический йод, жидкий бром и др.). Энтропии простых веществ не равны нулю. Для расчета ΔН0 , ΔG 0 , S 0 химических реакций применяют закон Гесса или его следствия. Расчетные данные относятся к мольным соотношениям веществ, которые указаны стехиометрическими коэффициентами химического уравнения. Термохимические расчеты основаны на законе Гесса (1840): тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода. Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (∆rH) равен сумме теплот образования (∆fH) продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции ∆rH = ∑ ni∆fHпрод – ∑ nj∆fHисх Стандартная энтальпия образования ΔНобр – теплота, выделяемая или поглощаемая при образовании 1 моль вещества из простых веществ, его составляющих, при стандартных условиях. Абсолютное значение энтропии всех веществ приводится в справочнике. Для расчета надо использовать следствия закона Гесса ∆S 0 р-ции=𝚺nj𝚫S 0 j продукты -𝚺ni𝚫S 0 i исх.в-в В приложении указаны стандартные энтальпии образования ∆H°(298° K) и стандартные энтропии S° (298° K) для всех веществ, участвующих в реакции. 208 СН4 (г)+2О2 (г) = СO2 (г) + 2H2О(г) Занесем данные по веществам, участвующим в реакции в таблицу 1. Таблица 1 Вычисление изменения энтальпии и энтропии при протекании прямой реакции в стандартных условиях Вещество ΔН0 298, кДж/моль S 0 298, Дж/(моль*К) Продукты реакции СO2 -393,51 213,6 2H2O 2*(-241,84)=-483,68 2*188,74=377,48 Исходные вещества CH4 -74,85 186,19 2O2 0 2*205,03=410,06 реакция -802,34 -8,17 Для данной реакции СН4 (г)+2О2 (г) = СO2 (г) + 2H2О(г) ∆rH = ∑ ni∆fHпрод – ∑ nj∆fHисх=-802,34 кДж/моль (см. табл.1) ∆Hr Sжидкости>Sтверд. Для реакции, проходящей при постоянном давлении (это большинство реакций в природе), Sср = H/T. Абсолютное значение энтропии всех веществ приводится в справочнике. Для расчета надо использовать следствия закона Гесса ∆S 0 р-ции=𝚺nj𝚫S 0 j продукты -𝚺ni𝚫S 0 i исх.в-в Для данной реакции СН4 (г)+2О2 (г) = СO2 (г) + 2H2О(г) В системе участвуют только газообразные вещества. ∆S 0 р-ции=𝚺nj𝚫S 0 j продукты -𝚺ni𝚫S 0 i исх.в-в =-8,17 Дж/(моль*К) (см. табл.3.1) ∆S 0 р-ции < 0 энтропия убывает, то есть уменьшается беспорядок системы и уменьшается число частиц. 2. Самопроизвольный процесс в некоторой системе (где изменения и энтропии, и энтальпии относятся только к рассматриваемой системе) возможен, если: S – H/Т > 0, или H – T S < 0. Значение этой функции (ее знак): 209 G = H – T S и определяет направление процесса. Функция состояния системы G называется энергией Гиббса, или изобарноизотермическим потенциалом, или свободной энергией (устар.) системы. В системе в качестве самопроизвольного возможен только тот процесс, в результате которого энергия Гиббса системы уменьшается, G < 0. Это одно из основных уравнений химической термодинамики, т.к. связывает возможность протекания химической реакции в системе с происходящими при этом изменениями энтальпии H и энтропии S. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислим ΔG 0 298 реакции, протекающей по уравнению. Вся система является газообразной, поэтому при расчете энергии Гиббса будем учитывать все элементы системы. Для расчета используем теплоты образования и энтропий веществ при стандартных условиях (Т=298К, р=1.13*105Па). Вычисления производим, используя следствия закона Гесса. Величина AG для той или иной реакции может быть определена по формуле: ΔGr = ΔGобр(продуктов) – ΔGoбp(реагентов). Вычислим ΔGr реакции используя ранее вычисленные энтальпию и энтропию реакции при стандартных условиях, Т=298К: ΔGr =∆Hr-Т*∆S 0 р-ции=-802,34-298*(-0,00817)=-799,90 кДж/моль ΔGr <0 , следовательно, возможно протекание прямой самопроизвольной реакции. Оказалось, что (ΔН0 298)х.р.< (ΔS 0 298)х.р.*Т и тогда (ΔG 0 298)х.р. < 0, т.е. при стандартных условиях энтальпийный фактор сыграл решающую роль. Таким образом, прямая реакция при стандартных условиях протекает самопроизвольно.