Методические указания, программа, решение типовых задач и контрольные задания для студентов заочного отделения инженерно-технических специальностей Санкт-Петербург (стр. 12 из 33)
108. Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ, вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:
NH3(г) + HCl(г) = NH4Cl(к)
Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно? Ответ: -92,08 кДж.
109. При какой температуре наступит равновесие системы:
СО(г) + 2Н2(г)
СН3ОН(ж); DH = -128,05 кДж?Ответ: »385,5 К.
110. При какой температуре наступит равновесие системы:
СН4(г) + СО2(г) = 2СО(г) + 2Н2(г); DН = +247,37 кДж?
Ответ: »961,9 К.
111. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:
4NН3(г) + 5О2(г) = 4NО(г) + 6Н2О(г)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -957,77 кДж.
112. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:
СО2(г) + 4Н2(г) = СН4(г) + 2Н2О(ж)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -130,89 кДж.
113. Вычислите DНo, DSo и DGoT реакции, протекающей по уравнению:
Fe2O3(к) + ЗН2(г) = 2Fe(к) + 3Н2О(г)
Возможна ли реакция восстановления Fе2О3 водородом при температурах 500 и 2000 К? Ответ: +96,61 кДж; 138,83 Дж/К; 27,2 кДж; -181,05 кДж.
114.Какие из карбонатов: ВеСО3 или BaCO3 – можно получить по реакции взаимодействия соответствующих оксидов с СО2? Какая реакция идет наиболее энергично? Вывод сделайте, вычислив DGо298 реакций. Ответ: +31,24 кДж; -130,17 кДж;
-216,02 кДж.
115.На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропии соответствующих веществ вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:
СО(г) + 3Н2(г) = СН4(г) + Н2О(г)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -142,16 кДж.
116. Вычислите DНo, DSo и DGoT реакции, протекающей по уравнению:
ТiO2(к) + 2С(к) = Ti(к) + 2СO(г)
Возможна ли реакция восстановления TiO2 углеродом при температурах 1000 и 3000 К? Ответ: +722,86 кДж; 364,84 Дж/К; +358,02 кДж; -371,66 кДж.
117. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих «веществ вычислите DGо298 реакции, протекающей по уравнению:
С2Н4(г) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 2Н2О(ж)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: -1331,21 кДж,
118. Определите, при какой температуре начнется реакция восстановления Fе3О4, протекающая по уравнению:
Fe3O4(к) + СО(г) = 3FeO(к) + СО2(г); DН = +34,55 кДж.
Ответ: 1102,4 К.
119. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по уравнению:
РС15(г) = РС13(г) + Сl2(г); DН = + 92,59 кДж.
Ответ: 509 К.
120. Вычислите изменение энтропии для реакций, протекающих по уравнениям:
2СН4(г) = С2Н2(г) + 3Н2(г)
N2(г) + 3H2(г) = 2NH3(г)
С (графит) + О2(г) = СО2(г)
Почему в этих реакциях DSо298 > 0; <0; @ 0?
Ответ: 220,21 Дж/К; -198,26 Дж/К; 2,93 Дж/К.
Химическая кинетика и равновесие
Кинетика – учение о скорости различных процессов, в том числе химических реакций. Критерием принципиальной осуществимости реакций является неравенство DGp, T < 0. Но это неравенство не является еще полной гарантией фактического течения процесса в данных условиях, не является достаточным для оценки кинетических возможностей реакции. Так, DGо298, H2O(г) = - 228,59 кДж/моль, а DGо298, Аll3(к) = -313;8 кДж/моль и, следовательно, при Т = 298 К и р = 1,013 • 105 Па возможны реакции, идущие по уравнениям:
Н2(г) + ½О2(г) = Н2О (1)
2Аl(к) + 3l2(к) = 2Аll3(к) (2)
Однако эти реакции при стандартных условиях идут только в присутствии катализатора (платины для первой и воды для второй). Катализатор как бы снимает кинетический "тормоз", и тогда проявляется термодинамическая природа вещества, Скорость химических реакций зависит от многих факторов, основные из которых – концентрация (давление) реагентов, температура и действие катализатора. Эти же факторы определяют и достижение равновесия в реагирующей системе.
Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе:
2SO2(г) + O2(г)
2SO3(г)если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?
Решение. Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO2]= a, [О2] = b, [SO3] = с. Согласно закону действия масс скорости v прямой и обратной реакции до изменения объема:
vпр = Ка2b; vобр = К1с2.
После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: [SO2] = 3а, [О2] = 3b; [SO3] = 3с. При новых концентрациях скорости v’ прямой и обратной реакции:
v’пр = К(3а)2(3b) = 27Ка2b; v’обр = К1(3с)2 = 9К1с2.
Отсюда:
Следовательно, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной – только в девять раз. Равновесие системы сместилось в сторону образования SO3.
Пример 2. Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70оС, если температурный коэффициент реакции равен 2.
Решение. Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:
Следовательно, скорость реакции 
при температуре 70оС больше скорости реакции 
при температуре 30оС в 16 раз.
Пример 3. Константа равновесия гомогенной системы:
СО(г) + Н2О(г)
СО2(г) + Н2(г)при 850оС равна 1. Вычислите концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [СО]исх =3 моль/л, [Н2О]исх = 2 моль/л.
Решение. При равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей постоянно и называется константой равновесия данной системы:
vпрК1 [СО][Н20]; vобр = К2[С02][Н2];
В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение Кр входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрации [СО2]р = х моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л) СО и Н2О расходуется для образования по х молей СО2 и Н2. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ:
[СО2]р = [Н2]р = х моль/л; [СО]р = (3 – х) моль/л;
[Н2О]р = (2 – х) моль/л.
Зная константу равновесия, находим значение х, а затем исходные концентрации всех веществ:
Таким образом, искомые равновесные концентрации:
[СО2]р = 1,2 моль/л;
[Н2]р= 1,2 моль/л;
[СО]р = 3 – 1,2 = 1,8 моль/л;
[Н2О]р = 2 – 1,2 = 0,8 моль/л.
Пример 4. Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:
PCl5(г)
РСl3(г) + Сl(г); DН = + 92,59 кДж.Как надо изменить: а) температуру; б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции – разложения PCl5?
Решение. Смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесно, определяется по принципу Ле Шателье: а) так как реакция разложения PCl5 эндотермическая (DН > 0) то для смещения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; б) так как в данной системе разложение РС15 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещения равновесия в указанном направлении можно достигнуть как увеличением концентрации РСl5, так и уменьшением концентрации РС13 или С12.