Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии
Закон Гесса: Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении и объеме не зависит от пути реакции (т.е. от промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы (т.е. состоянием исходных веществ и продуктов реакции (газ, жид., тв.)).
ΔrН0298 – стандартная энтальпия реакции (reaction), тепловой эффект реакции.
ΔfН0298> – стандартная энтальпия образования (formation) 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях (Т=298К или 25С, Р=1 атм.), на которые указывает знак «0», (кДж/моль).
ΔсН0298 – стандартнаяэнтальпия сгорания (combustion) 1 моль вещества (до образования СО2, Н2О, и др. продуктов), (кДж/моль).
Следствие 1 из закона Гесса:
Тепловой эффект химической реакции равен разности между алгебраической суммой теплот образования продуктов реакции и алгебраической суммой теплот образования исходных веществ
ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод - ∑(ni• ΔfН0298)исх.
где, njи ni– количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
Следствие 2 из закона Гесса:
Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ минус сумма теплот сгорания продуктов реакции
ΔrН0298 =∑(ni• ΔсН0298) - ∑(nj• ΔсН0298)
где, niи nj- количествовещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
В химических реакциях может одновременно изменяется и энергия системы и ее энтропия, поэтому реакция протекает в том направлении, в котором общая суммарная движущая сила реакции уменьшается. Если реакция происходит при постоянном температуре и давлении, то общая движущая сила реакции называется энергией Гиббса (ΔG0) и направление реакции определяется ее изменением.
Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением
ΔG0T=ΔH0T – TΔS0T
При стандартной температуре
ΔG0298=ΔH 0298– TΔS0298
ΔG0298 – стандартная энергия Гиббса, изменение энергии Гиббса при образовании 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях, (кДж/моль).
Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитывают по первому следствию из закона Гесса.
∆rG 0298= ∑(njΔfG0298) прод. -∑ (niΔfG0298)исход.
ΔS0298 - стандартная энтропия 1 моль вещества в стандартном условиях, (Дж/К*моль). Энтропию можно характеризовать как меру беспорядка (неупорядоченности) системы. Эта величина характеризует изменение температуры в системе.
Поскольку энтропия – функция состояния системы, ее изменение (ΔS) в процессе химической реакции можно подсчитать, используя следствие из закона Гесса.
ΔrS0298 =∑ (njΔfS0298) прод. –∑(niΔfS0298)исход
где, njи ni– количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
ΔrS0298 =∑ (niΔfS0298) исход –∑(njΔfS0298)прод
где, niи nj- количествовещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).
ΔrS0298 – стандартная энтропия реакции, (Дж/К).
ΔfS0298 – стандартная энтропия образования химического вещества, (Дж/К*моль).
Знак « - » перед членом TΔS0298 (энтропийным членом) ставится, для того чтобы при ΔH=0 сделать ∆G отрицательной величиной ΔG<0 – условие самопроизвольного протекания реакции.
Если пренебречь изменением ΔS0 и ΔН0 с увеличением температуры, то можно определить Травн, т.е. температуру, при которой устанавливается химическое равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов, т.е. из условия равновесия реакции ΔG=0 имеем 0=ΔrH 0298– TΔrS 0298, отсюда
Следует знать:
Если ΔS=0 (ΔS>0), ΔH<0(ΔH=0) то ΔG <0 – реакция протекает самопроизвольно, процесс протекает в прямом направлении (энергетически выгоден).
Если ΔS=0(ΔS<0), ΔH>0 (ΔH=0) то ΔG>0 – протекание реакции невозможна, возможна только в обратном направлении (энергетически невыгоден).
Если ΔS=0, ΔH=0 ΔG=0 – система находится в состоянии равновесия.
Примеры решения задач
1. Вычислить тепловой эффект реакции получения гидроксида кальция
СаО(т) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(т), если теплота образование СаО(т) равна +635701,5Дж/моль, теплота образования Н2О(ж) +285835,5 Дж/моль и теплота образования Са(ОН)2 +986823 Дж/моль.
Решение:
Тепловой эффект реакции
СаО (т) + Н2О (ж) = Са(ОН)2(т) по первому следствию закона Гесса, будет равен теплоте образования Са(ОН)2(т) минус теплота образования Н2О(ж) и теплота образования (СаО(т)):
ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод - ∑(ni• ΔfН0298)исх.
ΔrН0298=1 моль•ΔfН0298(Са(ОН)2(т)) - (1 моль ΔfН0298(СаО(т)) +
+1 моль• ΔfН0298(Н2О (ж)))=1 моль*986823 Дж/моль - (1 моль* 635701,5 Дж/моль +
+ 1 моль*285835,5 Дж/моль)= 65 286 Дж.
Ответ: 65286 Дж.
2. Вычислите изменения энергии Гиббса в реакции димеризации диоксида азота при стандартной температуре, при 0 и 100ºС. Сделать вывод о направлении процесса.
Решение:
При стандартной температуре 298 К изменение энтальпии в реакции
2NO2 (г) 
N2O4(г) равно (первое следствие закона Гесса)
ΔrН0298 =∑(nj •ΔfН0298)прод - ∑(ni• ΔfН0298)исх.
Δ rН0298 =1 моль* 9660 Дж/моль – 2 моль*33800 Дж/ моль = - 57940 Дж
Изменение температуры равно
ΔrS0298 =∑ (nΔfS0298) прод. –∑(nΔfS0298)исход = 1 моль*304 Дж/моль*К -
–2 моль*234 Дж/моль*К = - 164 Дж/К
Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением
ΔG0T =ΔH0T – TΔS0T
При стандартной температуре
ΔrG0298=ΔH 0298– TΔS0298 = - 57940 Дж – (298 К*(-164 Дж/К)) = -9068 Дж/моль
Отрицательное значение энергии Гиббса реакции говорит о том, что смещении равновесия вправо (самопроизвольный процесс), т.е. в сторону образования диоксида азота.
При 0ºС (273К)
ΔrG0273 = -57940 Дж + 273К* 164 Дж/К = -13168 Дж/моль
Скачать реферат