Примеры решения задач. Пример 1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования оксида железа (III) из простых веществ при стандартных условиях и стандартную энтальпию образования

Пример 1. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования оксида железа (III) из простых веществ при стандартных условиях и стандартную энтальпию образования оксида железа (III), используя следующие термохимические уравнения:

2 Fe(т) + O₂ (г) = 2FeO(т), ∆H⁰₁ = - 527,4 кДж (а)

4FeO(т) + O₂(г) = 2Fe₂O₃(т), ∆H⁰₂ = -587,9 кДж (б)

Р е ш е н и е. 1) Записываем термохимическое уравнение образования оксида железа (III) из простых веществ:

4 Fe (т) + 3O₂(г) = 2Fe₂O₃(т), ∆H⁰₃ =?, (в)

где ∆H⁰₃ – тепловой эффект этой реакции.

2) Для расчета ∆H⁰₃ необходимо провести такую комбинацию уравнений (а) и (б), которая позволит получить уравнение реакции (в). На основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать также, как с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение (а) умножить на 2, а затем суммировать с уравнением (б): 4Fe + 2O₂ + 4FeO + O₂ = 4FeO + 2Fe₂O₃

4Fe + 3O₂ = 2 Fe₂O₃

3) Тепловые эффекты реакции являются составной частью термохимических уравнений, поэтому с ними проведем аналогичные преобразования:
2∙∆H⁰₁ + ∆H⁰₂ = ∆H⁰₃

4) Рассчитываем ∆H⁰₃ – тепловой эффект реакции (в):

∆H⁰₃ = 2×(–527,4) + (–587,9) = –1054,8 – 587,9 = – 1642,7 кДж.

5) Определяем стандартную энтальпию образования Fe₂O₃ (∆H⁰_{f, 298}).

Согласно уравнению (в) в результате реакции образуются 2 моль Fe₂O_{3 ,} поэтому

∆H⁰_{f, 298} (Fe₂O₃) = ∆H⁰₃ /2 = – 1642,7 / 2 = – 821,35 кДж/моль.

Правильность расчета проверяем, сравнивая полученное значение со справочными данными табл. 2.

Пример 2. Определите возможность самопроизвольного протекания реакции восстановления оксида железа (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) +2C(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×∆G⁰_{f, 298}Cr + 3×∆G⁰_{f, 298} CO) – (∆G⁰_{f, 298} Cr₂O₃ + 3×∆G⁰_{f, 298C)}

Для расчета используем значения ∆G⁰_{f, 298} приведенные в табл.2

Так как ∆G⁰_{f, 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 ∆; G⁰_Т осуществляется по уравнению (7):
∆; G_Т = ∆H⁰₂₉₈ – T×∆S⁰₂₉₈. Рассчитаем тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях, используя уравнение (3) и значения ×∆H⁰_{f, 298} из табл.2.

∆H⁰₂₉₈ = (2×∆H⁰_{f, 298} Cr + 3×∆H⁰_{f, 298} CO) – (∆H⁰_{f, 298} Cr₂O₃ + 2∙∆H⁰_{f, 298} С).

Но ∆H⁰_{f, 298} Cr = 0 и ∆H⁰_{f, 298} С = 0, поэтому имеем

∆H⁰₂₉₈ = 3∙∆H⁰_{f, 298} CO – ∆H⁰_{f, 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 + 2×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×∆S⁰_298,

∆; 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:

∆H⁰_{f, 298} кДж/моль, S⁰ ₂₉₈ Дж/моль∙К, ∆G⁰_{f, 298} кДж/моль.

 

Вещество	∆H0f 298	S0 298	∆G0f, 298	Вещество	∆H0f, 298	S0 298	∆G0f, 298
Al (т)		+23,3		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)		+5,7		H2Te(г)	+154,0	+234,0	+138,0
CO(г)	-110,5	+197,4	-137,3	Mg(т)		+32,0
CO2(г)	-393,0	+214,0	-394,0	MgO(т)	-601,2	+26,9	-569,6
Cl2(г)		+223,0		MgCO3(т)	-1096	+65,7	-1029
CaO(т)	-635,1	+29,7	-604,2	N2(г)		+191,5
Ca(OH)2(т)	-966,2	+83,4	-896,8	NH3(г)	-46,2	+192,5	-16,6
CaCO3(т)	-1206,0	+92,3	-1128,8	NO(г)	+90,4	+210,6	+86,7
Cr(т)		+23,8		NO2(г)	+33,9	+240,5	+51,8
Cr2O3(т)	-1141,0	+81,1	-1046,8	NH4Сl(т)	-315,4	+94,5	-343,6
Cu(т)		+33,0		O2(г)		+205,0
CuO(т)	-156,0	+43,0	-127,0	SO2(г)	-296,9	+248,1	-300,4
Fe(т)		+27,2		SO3(г)	-395,2	+256,2	-370,4
Fe2O3(т)	-821,3	+90,0	-741,0	S(т)		+31,9
H2(г)		+130,6		Ti(т)		+31,0
H2O(г)	-241,8	+188,7	-228,8	TiCl4(г)	-759,0	+353,1	-714,0
H2O(ж)	-285,8	+70,0	-237,5