Расчеты энтальпии, энтропии и энергии Гиббса химических процессов

Энтальпия образования вещества

Задача 88.
В каком случае энтальпия образования вещества А будет больше ΔH° (A кристалл.) или ΔH° (А жидк.)?
Решение:
Растворение любого кристаллического вещества сопровождается тремя основными физико-химическими факторами: 
1) разрушением связей в кристаллах, требующее затраты энергии. Энтальпия системы при этом растет ΔН₁ > 0;
2) химическое взаимодействие кристаллического вещества с растворителем (водой), приводящее к образованию новых соединений — гидратов (сольватов) — и сопровождается выделением энергии. Энтальпия системы при этом уменьшается ΔН₂ < 0;
3) происходит самопроизвольное равномерное распределение гидратов (сольватов) в растворителе, связанное с диффузией и требующее затраты энергии. Энтальпия системы при этом растет ΔН₃ > 0.
Тогда суммарный тепловой эффект процесса растворения (ΔНх.р.) = ΔН₁ + ΔН₂ + ΔН₃) может быть как положительным (эндотермическое растворение) так и отрицательным (экзотермическое растворение). При растворении кристаллических веществ, дробление требует большого затрата энергии. Поэтому растворение кристаллических веществ часто проходит с поглощением теплоты (ΔН₁ > 0) и является эндотермическим процессом, так как во многих случаях при гидратации выделяется теплоты меньше, чем тратится на разрушение кристаллической решетки. Например, кристаллы аммиачной селитры растворяются в воде с поглощением теплоты из окружающей среды. Поэтому при растворении NР₄NO₃ в воде будет наблюдаться остывание (примерзание) стенок колбы, а при растворении в воде хлорида натрия температура практически не изменяется (ΔН ≈ 0). А при растворении гидроксида калия температура раствора резко повышается (ΔН < 0), так как энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации (сольватации), то процесс растворения будет экзотермическим процессом.
 

Задача 89.
При взаимодействии меди с 25,4 г иода выделилось 13,6 кДж теплоты. Составьте уравнение реакции, соответствующее стандартной энтальпии образования иодида меди (I), и рассчитайте энтальпию образования этого вещества (кДж/моль).
Решение:
М(I) = 127 г/моль;
m(I₂) = 25,4 г;
Q = 13,6 кДж;
∆H°CuI = ?
Уравнение реакции имеет вид:

Cu + 1/2I₂ = CuI

Рассчитаем количество I₂:

n(I) = m(I)/M(I) 25,4/1217 = 0,2 моль.

Видео:Тепловой эффект хим. реакции. Энтальпия. Закон Гесса. Капучинка ^-^Скачать

Рассчитаем энтальпию образования CuI из пропорции:

0,2 моль —- 13,6 кДж/моль
1 моль —— х 
х = (1 ^. 13,6)/0,2 = 68 кДж/моль.

Ответ: ∆H°CuI =  68 кДж/моль.
 

Задача 90.
Рассчитайте энтальпию процесса восстановления оксида железа (II) углеродом (графитом), если масса полученного железа 560 г, а объем выделившегося угарного газа 224 л (н. у.).
Решение:
М(Fe) = 56 г/моль;
V_m = 22,4 л/моль;
∆H°FeO = -265 кДж/моль;
∆H°СО = -110,52 кДж/моль;
m(Fe) = 560 г;
V(CO₂) = 224 л;
Q = ?
Рассчитаем количество полученного железа и выделившегося угарного газа:

n(Fe) = m(Fe)/M(Fe) = 560/56 = 10 моль;
nV(CO₂) = V(CO₂)/V_m = 224/22,4 = 10 моль.

Уравнение реакции имеет вид:

FeO(к) + C(графит) = Fe(к) + CO(г).

Из уравнения следует, что в результате процесса выделяется 1 моль металлического железа и 1 моль угарного газа, т.е. n(Fe) = n(СО). Значит, по условию задачи, n(Fe) = n(СО) = 10 моль, т.е. нам нужно сначала рассчитать энтальпию реакции и, затем, найденное её значение умножить на 10 моль.

Видео:Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.Скачать

Тогда

Значения стандартных теплот образования веществ приведены в специальных таблицах. Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю. Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствие из закона Гесса:

∆H°х.р. = ∑∆H°(прод.) — ∑∆H°(исходн.).

Тогда

∆H°х.р. = ∆H°СO(г) – ∆H°FeO(к);
∆H°х.р. = (-10,52)  – (-265) = +154,48 кДж/моль.

Теперь умножим полученное значение энтальпии реакции на 10 моль, получим:

Q(процесса) = ∆H°х.р. ^. 10 моль = +154,48 кДж/моль ^. 10 моль = +15448 кДж.

Видео:Химия | Тепловой эффект химической реакции (энтальпия)Скачать

Ответ: Q(процесса) = +15448 кДж.
 

Изменение энергии Гиббса в результате испарения воды

Задача 91.
Изменение энергии Гиббса в результате испарения воды при 104 °С и давлении 1 бар равно –437 кДж•моль^–1. Рассчитайте энтропию паров воды при температуре 100 °С, если энтропия жидкой воды при этой температуре составляет 87,0 Дж•К^–1•моль^–1. Рассчитайте давление, при котором изменение энергии Гиббса испарения воды при 104 °С будет равно 0 °С.
Решение:
∆H°ф.п = 2,255 кДж/г;
∆G = –437 кДж•моль^–1;
∆S°H₂O(ж) = 87,0 Дж•К^–1•моль^–1;
Тисп. = 104 °С = 377 К;
Тп. = 100 °С = 373 К;
р = 1 бар; 
Р_исп. = ?;
∆S°H₂O(пар) = ?
1. Рассчитайте энтропии паров воды
Рассчитаем зменение энтропии в процессе фазового перехода, получим:

∆S°ф.п. = [n ^. ∆H°ф.п ^. М(Н₂О)]/Тп. = (1 ^. 2255 ^. 18)/373 = 108,8 Дж • К^–1•моль^–1.

Рассчитаем общий прирост энтропии, получим: 

∆S°H₂O(пар) = ∆S°H₂O(ж) + ∆S°ф.п. = 87,0 + 108,8 = 195,8 Дж•К^–1•моль^–1.

2. Расчет давления при ∆G = 0, получим:

Видео:Решение задач на вычисление энергии Гиббса. 1 часть. 10 класс.Скачать

∆G = ∆G° + RT∆lnP, (∆G = 0);
∆G° = -RTlnP = -2,303RTlnP;
lnP = ∆G°/(-2,303RT) = –437000/(8,314 ^. 377 ^.2,303) = 60,54;
Р ≈ 1,8 бар.

Ответ: Р_исп. ≈ 1,8 бар.

Вычисление теплоты химического процесса 

Задача 92. 
Процесс гашения извести СаО (М = 40 г/моль) выражается термодинамическим уравнением СаО(тв) + Н₂О(ж) → Са(ОН)₂(ж); ΔНх.р. = -65,52 кДж. Сколько теплоты выделится при гашении 1 кг извести, содержащей 20% посторонних примесей?
Решение:
1. Рассчитаем массу чистой извести, получим:

m(CaO) = m_{(известь)} ^. 0,8 = 1000 г ^. 0,8 = 800 г.

2. рассчитаем количество гашенной извести, получим:

n(CaO) = m(CaO)/M(CaO) = 800/100 = 8 моль.

Видео:Первый закон термодинамики. 10 класс.Скачать

3. Рассчиитаем количество теплоты, получим:

Q = ΔНх.р. ^. n(CaO) = -65,52  ^. 8 = -521,6 кДж. 

Ответ: Q = -521,6 кДж.
 

Задача 93.
Разложение хлората калия протекает по уравнению: 
KClO3 → KCl + 1,5O₂; ∆Н° = -44,7 кДж.
Вычислите количество теплоты при образовании 2,24 л кислорода при разложении перхлората калия.
Решение:
1. Рассчитаем количество выделившегося кислорода, получим:

n(O₂) = V(O₂)/V_m = 2,24/22,4 = 0,1 моль.

2. Количество теплоты рассчитаем из пропорции:

1,5 моль O₂ —- -44,7 кДж
0,1 моль О₂ —- х кДж
х = [0,1 ^. (-44,7)]/1,5 = -2,98 кДж.

Ответ: Q = -2,98 кДж.