Термодинамический метод рассмотрения химических процессов

 

Термодинамический подход заключается в рассмотрении начального и конечного состояний взаимодействующих веществ, при этом не учитываются механизм и скорость процесса.

Для описания систем используют набор термодинамических функций, основными из которых являются Н – энтальпия, S – энтропия, G – энергия Гиббса. В справочных таблицах приводят стандартные: энтальпии образования веществ , кДж/моль, энтропии веществ , Дж/(моль×К) (табл. П.1), энергии Гиббса образования веществ , кДж/моль. Стандартные условия:

Т = 298 К; Р = 1,013×10⁵ Па; вещества –химически чистые.

Энтальпийный эффект химической реакции определяют по закону Гесса и

следствию из него. Следствие из закона Гесса: изменение энтальпии химической реакции равно разности сумм энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрическихкоэффициентов:

= å(n ) – å (m ),

где n, m – стехиометрические коэффициенты.

Аналогичным образом можно рассчитывать изменение и других функций – энтропии (), энергии Гиббса ().

В системах, находящихся при постоянных температуре и давлении, самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса (D G < 0). Если D G > 0, реакция протекает в обратном направлении, а при D G = 0 система находится в состоянии химического равновесия.

Пример. Вычислить стандартные изменения энтальпии, энтропии, энергии Гиббса в реакции CO_2(г) + С _{(графит)} = 2CO_(г). Определить температуру, при которой устанавливается химическое равновесие реакции, и сделать вывод о возможности протекания реакции в прямом направлении.

Решение.

· Рассчитать стандартное изменение энтальпии реакции:

= å (n ) – å (m )= 2 – ( + )=

= 2×(–110,5) – (–393,5 + 0) = 172,5 кДж.

>0 – эндотермическая реакция.

· Рассчитать стандартное изменение энтропии реакции:

= å (n ) – å (m )= – ( + ) =

=2·197,5 – (213,7 + 5,7) = 175,6 Дж/К = 175,6×10^-3 кДж/К.

· Рассчитать стандартное изменение энергии Гиббса реакции:

= – = 172,5 –298×175,6×10^-3 = 120,2 кДж.

> 0, при Т = 298 К прямая реакция невозможна.

· Определить температуру, при которой устанавливается химическое равновесие.

Если пренебречь зависимостями и D S от температуры и считать их постоянными, можно рассчитать энергию Гиббса при нестандартной температуре Т: D G = D Н – Т× D S » – = – = 0 Þ Т = =

· Построить график зависимости от Т.

 

 

 

 

 

Из графика видно, что в интервале температур 0 – 982 К D G > 0, следовательно, прямая реакция невозможна; выше 982 К D G < 0, т.е. самопроизвольно протекает прямая реакция.

 

Задания к подразделу 2.1

 

Вычислить стандартные изменения энтальпии, энтропии, энергии Гиббса в соответствующей реакции (, в табл. П.1). Определить температуру, при которой устанавливается химическое равновесие реакции, и сделать вывод о возможности протекания реакции в прямом направлении (из расчетных либо графических данных).

 

Номер задания	Уравнение реакции
	2Mg(к) + CO2 (г) = 2MgO(к) + C (графит)
	3CH4(г) + CO2(г) + 2H2O(ж) = 4CO(г) + 8H2(г)
	4HCl (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2Cl2 (г)
	2Н2 S (г) + SO2(г) = 3S (ромб) + 2H2O(ж)
	2Сu2О(т) + Сu2S (т) = 6Сu (к) + SO2(г)
	2H2O (г) + 2Cl2 (г) = 4HCl (г) + O2 (г)
	3Fe2O3(т) + Н2(г) = Н2O(г) + 2Fe3O4(т)
	CaO (т ) + CO2 (г) = CaCO3 (т)
	С (гр.) + СO2(г) = 2СО(г)
	2ZnS(т) + 3О2(г) = 2ZnO(т) + 2SO2(г)
	СаСО3(т) = СаО(т) + СО2(г)
	ВaO(т ) + CO2 (г) = ВaCO3 (т)
	2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)
	N2O4 (г) = 2NO2 (г)
	Al2O3 (т) + 3SO3 (г) = Al2(SO4) 3 (т)
	CaO (т ) + Н2O (ж) = Ca(ОН)2 (т)
	FeO(т)+ H2(г) = Fe(т) +Н2О(г)
	CuO(т) + C(т) = Cu(к) + CO(г)
	CaO (т ) +Fе2O3(т) = Ca(FеO2)2(т)
	CaO (т ) + SO3 (г) = CaSO4 (т)