Винокурова_химические_системы_2011
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Химические системы
Варианты заданий для самостоятельной работы
Издание третье, дополненное
Йошкар-Ола МарГТУ
2011
УДК 547 (075)
ББК 24
Х 46
Составители: Винокурова Р. И., Винокуров А. И., Крашенинникова Н. Г., Тарасенко Е. В., Терехова Т. С., Фоминых В. Л., Цибуля Л. В.
Рецензент: кандидат биологических наук, доцент МарГТУ О. В. Силкина
Печатается по решению редакционно-издательского совета МарГТУ
Химические системы: варианты заданий для самостоятель-
Х46 ной работы / сост. Р. И. Винокурова, А. И. Винокуров, Н. Г. Крашенинникова [и др.]. – Издание третье, дополненное. – ЙошкарОла: Марийский государственный технический университет, 2011.
– 140 с.
Содержат план изучения темы с указанием необходимой литературы, краткие пояснения к вопросам, примеры решения задач, а также индивидуальные задания для контроля усвоения материала.
Для студентов технических специальностей, изучающих дисциплину «Химия» по системе РИТМ.
УДК 547 (075)
ББК 24
© Марийский государственный технический университет, 2011
3
ЗАДАНИЕ 1
ТЕРМОХИМИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Наука, изучающая процессы взаимного превращения энергии системы, называется термодинамикой.
Термодинамика делится на физическую (общую), техническую и химическую.
Вфизической термодинамике излагаются ее теоретические основы и их приложение к физическим явлениям, например, к свойствам конденсированных и газообразных тел, к электрическим и магнитным явлениям, излучению и др.
Втехнической термодинамике ее законы рассматриваются в приложении к процессам взаимного превращения теплоты и работы, что позволяет рационально проектировать и совершенствовать тепловые двигатели и разрабатывать их теорию.
Часть термодинамики, изучающая превращения энергии в ходе химических и физико-химических процессов, носит название химической термодинамики. Она рассматривает следующие вопросы:
Составление тепловых балансов процессов, включая тепловые эффекты физических явлений и химических превращений.
Условия возможности протекания химической реакции и стабильности существования химического соединения (без разложения).
Выбор оптимальных условий (температура, давление, концентрация реагентов) получения данного вещества или принципиальной возможности протекания данного процесса.
Термохимия – часть химической термодинамики, изучающая тепловые эффекты химических реакций. Различают реакции экзотермические, идущие с выделением теплоты, и эндотермические, протекающие с поглощением теплоты. Теплота, выделяемая или поглощаемая при химических реакциях, называется тепловым эффектом реакции.
Система – это совокупность тел или одно тело, выделенное в пространстве.
Термодинамическая система – это тело или совокупность тел, способных обмениваться энергией и (или) веществом с другими телами или между собой.
4
Открытая термодинамическая система может обмениваться энергией и (или) веществом с другими системами. В изолированной системе возможно только перераспределение энергии между ее компонентами.
Химическая система – совокупность исходных веществ и продуктов реакции. Она может быть гомогенной и гетерогенной. Состояние системы определяется термодинамическими параметрами, которые подразделяются на экстенсивные (количество вещества, его масса, объем) и интенсивные (температура, давление, плотность).
Термодинамическое состояние системы описывается параметрами состояния (Р ,Т, V) и функциями состояния: полная энергия (Е), внутренняя энергия (U), энтропия (S), энтальпия (Н), свободная энергия Гиббса (G).
Полная энергия системы определяется суммой кинетической (К), потенциальной (П) и внутренней энергией (U): Е = К + П +U. В термодинамике принимается, что К = П = 0. В итоге приближенно Е = U.
Внутренняя энергия представляет собой общий запас энергии, который является суммой многих составляющих, возникающих в результате различных видов движения и взаимодействия различных частиц в силовых полях. Количественный учет всех составляющих внутренней энергии не возможен, поэтому рассматривают лишь ее изменения.
С целью однозначного и количественного определения изменения энергии в химических реакциях вводится понятие стандартного состояния вещества. За стандартное состояние вещества принимают ту его фазу (газообразную, жидкую, твердую), в которой оно существует при 250С (298,15 К) и давлении 1 атм (101,3 кПа).
Цель и задачи
Изучив тему, Вы должны уметь:
1)пользоваться основными элементами и понятиями химической термодинамики;
2)давать характеристику процесса по термохимическому уравнению;
3)рассчитывать стандартные величины энтальпии, энтропии и свободной энергии системы с применением закона Гесса и следствия из него;
4)уметь предсказывать направление процесса по величине свободной энергии.
5
Литература:
1.Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 2000. – Гл. II,
§ 5.1-5.4.
2.Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1986. – Гл. VI § 54-56, 66-68.
План изучения темы
1.Используя указанную литературу, ознакомиться со следующими учебными элементами темы и составить краткий конспект:
система; термодинамическая система; химическая система; системы открытые и изолированные; тепловой эффект реакции; реакции экзо- и эндотермические; термохимическое уравнение; закон Гесса и следствие из закона Гесса; внутренняя энергия;
энтальпия; энтропия; энергия Гиббса; стандартные условия; стандартные термодинамические величины Н0, S0, G0.
2.Разобрать приведенный ниже пример решения нулевого варианта.
3.Выполнить задание согласно номеру своего варианта.
Решение нулевого варианта
Для приведенной реакции СО (г) + Н2О (ж) СО2 (г) + Н2 (г)
1. Расставить коэффициенты, рассчитать стандартную энтальпию реакции ( Н0х.р.) и указать, будет ли данная реакция экзоили эндотермической по тепловому эффекту.
Решение. Запись химической реакции с указанием теплового эффекта и агрегатного состояния вещества называется термохимическим уравнением. Коэффициенты в термохимическом уравнении могут быть и дробными.
Тепловой эффект реакции, называемый еще энтальпией системы, обозначается Н, измеряется в килоджоулях (кДж) или килокалориях (ккал) и записывается в правой части термохимического уравнения через точку с запятой. Н < 0 – для экзотермической реакции и Н > 0 – для эндотермической реакции.
Агрегатное состояние веществ обозначают: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое, т – твердое.
6
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: «Тепловой эффект реакции зависит только от конечного и начального состояния системы, но не зависит от пути перехода».
Количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при образовании 1 моля сложного вещества из простых веществ, называется теплотой или энтальпией образования данного вещества (кДж/моль и ккал/моль). Энтальпия образования, отнесенная к стандартным условиям (Т= 298 К; Р = 1 атм), называется стандартной энтальпией образования и обозна-
чается fН0, или fН0298.
Для большинства веществ значения fН0298 приводятся в справочных таблицах (приложение 1).
Энтальпия образования данного соединения равна энтальпии разложения, взятой с противоположным знаком.
Энтальпия образования простого вещества равна нулю. Термохимические расчеты упрощаются при использовании след-
ствия из закона Гесса:
«Тепловой эффект реакции равен разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ с учетом коэффициентов в уравнении реакции».
Рассчитаем тепловой эффект данной реакции. Согласно следствию из закона Гесса:
H0х.р. H(0прод) H(0исх.в в) H0CO2 H0H2 HCO0 H0H2O
H0х.р. = – 393,5 + 0 – (–110,5 – 285,8) = 2,8 кДж.
Поскольку Н0х.р. > 0, данная реакция – эндотермическая, протекает с поглощением теплоты.
2. Рассчитать стандартную энтропию реакции (ΔS0х.р.) и указать, будет ли самопроизвольно протекать данная реакция в изолированной системе в стандартных условиях.
Решение. Химические реакции обычно являются результатом одновременно происходящих явлений: передачи энергии (изменение энтальпии системы) и изменения в упорядоченности расположения частиц системы относительно друг друга.
Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы: конденсация, кристаллизация и т.п. ведут к уменьшению энтропии. Энтропия обозначается буквой S, а для стандартных условий – S0 или S0298. Она является функцией состояния системы и, согласно следствию из закона Гесса, равна разности суммы
7
энтропий продуктов реакции и суммы энтропий исходных веществ:
S0 = ΣS0(прод.) – ΣS0(исх. в-в).
Энтропия выражается в Дж/моль · град (дж/моль · К), кал/моль · град (кал/моль · К). Стандартные ее значения приводятся в справочных таблицах (приложение 1).
Для данной реакции
S0х.р. S(0прод) S(0исх.в в) S0H2 S0CO2 SCO0 S0H2O(ж)
S0х.р = 130,5 + 197,5 – 213,7 – 70,1 = 44,2 Дж/моль · К.
Поскольку S0х.р > 0, реакция может протекать самопроизвольно в изолированной системе.
3. Рассчитать стандартную энергию Гиббса (G0298) и энергию Гиббса (Gх.р.) при температуре 10000 К. Прямая или обратная реакция будет протекать самопроизвольно в неизолированной системе в указанных условиях?
Решение. При постоянной температуре и давлении состояние системы описывают величиной G, называемой изобарно-изотермическим потенциалом, свободной энергией, или энергией Гиббса.
Изменение свободной энергии в стандартных условиях обозначают G0, или G0298 и приводят в справочных таблицах (приложение 1).
Энергия Гиббса является функцией состояния и, по следствию из закона Гесса, стандартная энергия Гиббса равна
G0289 G0(прод) G(0исх.в в) G0H2 G0CO2 G0CO G0H2O
G0298 = 0 – 394,4 – (–237,3 – 137,1) = – 20 кДж.
Энергия Гиббса называется движущей силой реакции и объединяет два параметра реакции – энтальпию (ΔН0) и энтропию (ΔS0):
G0 = Н0 – Т S0, где Т – абсолютная температура. Величина S0 выражается в кДж/моль · град.
Химические реакции при постоянных значениях температуры и дав-
ления могут протекать самопроизвольно, если G0 < 0. При G0 |
> 0 |
процесс в данных условиях самопроизвольно протекать не может. |
При |
G0 = 0 система находится в состоянии равновесия. |
|
Энергия Гиббса Gх.р. для данной реакции при Т = 10000 К |
|
G0х.р. = 2,8 – 1000 · 44,2 · 10–3 = – 41,4 кДж. |
|
Поскольку G0х.р.< 0 при данной температуре реакция протекает самопроизвольно.
8
4. По полученным в пп. 1 и 2 данным а) рассчитать температуру, при которой равновероятны оба направ-
ления реакций; б) указать область температур, в которой реакция самопроизвольно
может протекать в прямом направлении с учетом того, что реагенты находятся в стандартных состояниях, а значения Н0 и S0 реакций не зависят от температуры.
Решение. Оба направления реакции равновероятны в состоянии равновесия, когда скорости прямой и обратной реакций равны.
Используем уравнение |
G0 = |
Н0 – Т S0. |
|||
Для равновесной системы |
G0 = 0. |
|
|
||
Т |
Н0 |
|
2,8 |
|
63К |
0 |
44, 2 10 |
3 |
|||
|
S |
|
|
|
При Т > 63К реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении. В случае, когда Н0 < 0, S0 > 0, процесс протекает самопроизвольно при любой температуре, если же Н0 > 0, S0 < 0, то неосуществим ни при какой температуре.
Задания для самостоятельного выполнения
Для реакции, протекающей по схеме, приведенной в таблице 1:
1.Расставить коэффициенты, рассчитать стандартную энтальпию реакции ( Н0х.р.) и указать, будет ли данная реакция экзоили эндотермической по тепловому эффекту.
2.Рассчитать стандартную энтропию реакции (ΔS0х.р.) и указать, будет ли самопроизвольно протекать данная реакция в изолированной системе в стандартных условиях.
3.Рассчитать стандартную энергию Гиббса (G0298) и энергию Гиббса (Gх.р.) при температуре, указанной в таблице 1. Прямая или обратная реакция будет протекать самопроизвольно в неизолированной системе в указанных условиях?
4.По полученным в пп. 1 и 2 данным
а) рассчитать температуру, при которой равновероятны оба направления реакций;
б) указать область температур, в которой реакция может самопроизвольно протекать в прямом направлении с учетом того, что реагенты находятся в стандартных состояниях, а значения Н0 и S0 реакций не зависят от температуры.
|
|
9 |
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
Варианты индивидуальных заданий по теме |
|
|
|
«Термохимия. Элементы химической термодинамики» |
|||
|
|
|
|
|
№ |
|
Схема реакции |
Темпера- |
|
варианта |
тура, К |
|||
|
||||
0 |
|
СО (г) + Н2О (ж) СО2 (г) + Н2 (г) |
1200 |
|
1 |
|
ZnS (к) + O2 (г) = ZnO (к) + SO2 (г) |
1200 |
|
2 |
|
CS2 (ж) + О2 (г) = СО2 (г) + SO2 (г) |
1200 |
|
3 |
|
А12(SO4)3 (к) = А12О3 (к) + SO2 (г) + О2 (г) |
1200 |
|
4 |
|
AgNO3 (к) = Ag (к) + NO2 (г) + О2 (г) |
1200 |
|
5 |
|
SO2 (г) + H2S (г) = S (к) + Н2О (ж) |
1200 |
|
6 |
|
CuC12 (к) + Н2О (г) = CuO (к) + НС1 (г) |
1550 |
|
7 |
|
Н2О (г) + Fe (к) = Н2 (г) + Fe3О4 (к) |
1550 |
|
8 |
|
Fe2О3 (к) + СО (г) = Fe3О4 (к) + СО2 (г) |
1550 |
|
9 |
|
Fe3О4 (к) + СО (г) = FeО (к) + СО2 (г) |
1550 |
|
10 |
|
Fe2О3 (к) + Н2 (г) = Fe3О4 (к) + Н2О (г) |
1550 |
|
11 |
|
Fe3О4 (к) + Н2 (г) = FeО (к) + Н2О (г) |
675 |
|
12 |
|
Fe3О4 (к) + С (графит) = FeО (к) + СО (г) |
675 |
|
13 |
|
ТаС15 (к) + Na (к) = Та (к) + NaC1 (к) |
675 |
|
14 |
|
HF (г) + N2 (г) = NF3 (г) + Н2 (г) |
675 |
|
15 |
|
PbS (к) + O2 (г) = PbO (к) + SO2 (г) |
675 |
|
16 |
|
U (к) + BaF2(к) = UF4 (г) + Ba (к) |
820 |
|
17 |
|
V (к) + СаО (к) = V2О5 (к) + Са (к) |
820 |
|
18 |
|
NiO (к) + Al (к) = Ni (к) + Al2O3 (к) |
820 |
|
19 |
|
Al2О3 (к) + SO2 (г) + O2 (г) = Al2(SO4)3 (к) |
820 |
|
20 |
|
CuO (к) + NO2 (г) + O2 (г) = Cu(NO3)2 (к) |
820 |
|
21 |
|
NO2 (г) + O2 (г) + H2O (ж) = HNO3 (ж) |
1000 |
|
22 |
|
H2O (ж) + SO2 (г) + O2 (г) = H2SO4 (ж) |
1000 |
|
23 |
|
H2O (г) + CO2 (г) + CuO (к) = Сu2(OH)2CO3 (к) |
1000 |
|
24 |
|
PbО (к) + NO2 (г) + O2 (г) = Pb(NO3)2 (к) |
1000 |
|
25 |
|
Na2О (к) + SO3 (г) + Н2О (ж) = NaHSO4 (к) |
1000 |
|
26 |
|
NH3 (г) + SO3 (г) + H2O (г) = (NH4)2SO4 (к) |
1000 |
|
27 |
|
Na2О (к) + СO2 (г) + Н2О (ж) = NaHСO3 (к) |
1300 |
|
28 |
|
Na2О (к) + SO2 (г) + S (к) = Na2S2O3 (к) |
1300 |
|
29 |
|
КОН (к) + Р4О10 (к) + Н2О (ж) = КН2РО4 (к) |
1300 |
|
30 |
|
Mg(NO3)2 (к) = MgO (к) + NO2 (г) + O2 (г) |
1300 |
|
31 |
|
Na2SO3 (к) = Na2SO4 (к) +Na2S (к) |
1300 |
|
32 |
|
Na2HPO4 (к) = Na4P2O7 (к) + H2O (ж) |
1300 |
|
33 |
|
КС1О4 (к) = КС1О3 (к) + КС1 (к) + O2 |
1300 |
|
34 |
|
РН3 (г) + О2 (г) = Р2O5 (к) + H2O (ж) |
1400 |
|
35 |
|
НNO3 (ж) + S (к) = NO2 (г) + H2SO4 (ж) |
1400 |
|
36 |
|
СН4 (г) + О2 (г) = СО2 (г) + Н2О (ж) |
1400 |
10
|
Окончание табл. 1 |
||
№ |
Схема реакции |
Темпера- |
|
варианта |
тура, К |
||
|
|||
37 |
Н2О (г) + С (графит) = СО (г) + Н2 (г) |
1400 |
|
38 |
С2Н2 (г) + Н2 (г) = С2Н4 (г) |
1400 |
|
39 |
С2Н6 (г) + О2 (г) = СО2 (г) + Н2О (г) |
1400 |
|
40 |
СН4 (г) = С2Н2 (г) + Н2 (г) |
1400 |
|
41 |
СН4 (г) + Cl2 (г) = СCl4 (ж) + НCl (г) |
700 |
|
42 |
С6Н12О6 (к) + О2 (г) = СО2 (г) + Н2О (г) |
700 |
|
43 |
ВаО (к) + СО2 (г) = ВаСО3 (к) |
700 |
|
44 |
С6Н12О6 (к) = С2Н5ОН (ж) + СО2 (г) |
700 |
|
45 |
С2Н5ОН (ж) = С2Н4 (г) + Н2О (ж) |
700 |
|
46 |
Fe3О4 (к) + Al (к) = Fe (к) + Al2O3 (к) |
700 |
|
47 |
NН3 (г) + О2 (г) = NO (г) + Н2О (г) |
900 |
|
48 |
Сa3N2 (к) + H2O (ж) = Ca(OH)2 (к) + NH3 (г) |
900 |
|
49 |
NH4NO3 (к) = N2O (г) + H2O (г) |
900 |
|
50 |
НNO3 (ж) + Cu (к) = NO (г) + Cu(NO3)2 (к) + Н2О (ж) |
900 |
|
51 |
BaF2 (к) + H2SO4 (ж) = BaSO4 (к) + HF (г) |
900 |
|
52 |
Сu2(OH)2CO3(к) + НCl(г) = CuCl2 (к) + CO2 (г) + H2O (ж) |
1200 |
|
53 |
Сu(NO3)2 (к) = СuO (к) + NO2 (г) + O2 (г) |
1200 |
|
54 |
Сu2(OH)2CO3(к) = CuO (к) + CO2(г) + H2O(ж) |
1200 |
|
55 |
HСN (г) + O2 (г) = N2 (г) + CO2 (г) + H2O (г) |
1200 |
|
56 |
Cr2O3 (к) +Al (к) = Al2O3 (к) + Cr (к) |
1200 |
|
57 |
FeCl3 (к) + Fe (к) = FeCl2 (к) |
1200 |
|
58 |
Fe (к) + Cl2 (г)= FeCl3 (к) |
550 |
|
59 |
КОН (к) + Cl2O7 (г) = КС1О4 (к) + H2O (ж) |
550 |
|
60 |
NaHСO3(к)+ H2SO4(ж) = Na2SO4(к) + CO2(г) + H2O(ж) |
550 |
|
61 |
Na2О (к) + Р2O5 (к) = Na4P2O7 (к) |
550 |
|
62 |
NaC1 (к) + H2SO4(ж) = NaHSO4 (к) + НCl (г) |
550 |
|
63 |
СН4 (г) + О3 (г) = СО2 (г) + Н2О (г) |
550 |
|
64 |
CaC2 (к) + H2O(ж) = С2Н2 (г) + Ca(OH)2 (к) |
550 |
|
65 |
КОН (к) + Cl2 (г) = КС1О3 (к) + КС1 (к) + H2O(ж) |
550 |
|
66 |
КС1О3 (к) = КС1 (к) + КС1О4 (к) |
1000 |
|
67 |
КС1О3 (к) = КС1 (к) + O2 (г) |
1000 |
|
68 |
BaSO4 (к) + С (графит) = BaS (к) + CO (г) |
1000 |
|
69 |
SiН4 (г) + О2 (г) = SiО2 (к) + Н2О (г) |
1000 |
|
70 |
FeS2 (к) + О2 (г) = Fe2О3 (к) + SO2 (г) |
1000 |
|
71 |
CaСO3(к) = CaO (к) + CO2 (г) |
1200 |
|
72 |
Сa(HCO3)2 (к) = CaСO3(к)+ CO2 (г) + H2O (ж) |
1000 |
|
73 |
BaCO3 (к) + НCl (г) = BaCl2 (к) + CO2 (г) + H2O (ж) |
1000 |
|
74 |
Na2S2O3(к) + НCl(г) = NaCl(к) + SO2(г) + S(к) + H2O(ж) |
500 |
|
75 |
P (к, красный) + N2O (г) = N2 (г) + Р2O5 (к) |
1000 |