Вопросы по теме: "термодинамика"

1. Химическая термодинамика (предмет, задачи, возможности).

2. Основные понятия: термодинамическая система, состояния системы, стандартное состояние, уравнение состояния, функция состояния, процессы, внутренняя энергия, работа и теплота.

3. Первый закон термодинамики. Приложение первого закона термодинамики к различным процессам (изохорным, изобарным, изотермическим, адиабатическим).

4. Термохимия. Закон Гесса и следствие из него. Стандартные теплоты образования и сгорания.

5. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Закон Кирхгофа.

6. Обратимые и необратимые в термодинамическом смысле, самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Формула для расчёта КПД тепловой машины. Формулировки 2-го закона термодинамики.

7. Энтропия. Изменение энтропии как критерий направленности и равновесия в изолированных системах.

8. Статистическая природа 2-го закона термодинамики.

9. Изменение энтропии в равновесных термодинамических процессах (изохорных, изобарных, изотермических).

10. Постулат Планка. Абсолютные и стандартные энтропии. Расчёт энтропии твёрдых, жидких, газообразных веществ.

11. Термодинамические потенциалы. Критерии направленности и равновесия самопроизвольных процессов в закрытых системах.

12. Химический потенциал. Критерии возможности протекания самопроизвольных химических реакций в открытых системах.

13. Обратимые и необратимые химические реакции. Константа равновесия химической реакции. Закон действующих масс.

14. Смещение равновесия. Принцип Ле-Шателье.

15. Уравнение изотермы химической реакции, его применение.

16. Зависимость константы химического равновесия от температуры, (уравнения изохоры, изобары).

17. Термодинамический расчёт константы химического равновесия.

Примеры решения типовых задач

Задача 1 Определить тепловой эффект химической реакции в стандартных условиях среды при 500 К: СНз ОН + 3/20_2(г) = СО_2(г) + 2 Н₂ 0_(г)

Решение. Из справочника (5) выпишем необходимые для расчета термодинамические величины

Вещество	СО2(г)	Н2О(г)	О2(г)	СН3ОН(г)
ΔНг298 Кдж/моль	-393,51	-241,84	0	-201,20
Ср298 КДж/моль*К	37,13	33,56	29,36	43,90

Для расчёта теплового эффекта и изменения теплоёмкости применим следствие из закона Гесса, при этом учитываем, что для простых веществ стандартная теплота образования равна нулю.

ΔН_Р ΣΔН_ſкон - ΣΔН_ſисх= ΔН_Р(СО₂)+2ΔН(Н₂0) - ΔН(СН_зОН)=(-393,51)+

+ 2(-241,84) - (201,2)= = -675,99 кДж.

Знак минус перед тепловым эффектом означает, что теплота выделяется в результате реакции.

ΔС_р298 = Ср (СО₂) +2Ср (Н₂0) - Ср(СН_зОН) - Ср (О₂) =

= 37,13+2*33,56 - 43,9 - 3/2 *29,36 =16,31 Дж/К

Тепловой эффект при 500К находим по уравнению Кирхгофа, где принимаем Ср = С_р298 = const.

ΔН₅₀₀=ΔН₂₉₈ + ₂₉₈∫⁵⁰⁰ ΔС_р dT= -675,99*10³ + 16,31(500-298)=672,70*10³ кДж=

= - 672,7 кДж

Задача2 Рассчитать (по теплоте сгорания) стандартную теплоту образования глицерина С₃Н₈О₃(ж)

Решение Из определения теплот образования следует, что Н_ʄ298 (СзH8Оз) - это тепловой эффект реакции:

ЗС(гр) + 4Н₂ +3/20₂ = СзН₈Оз(ж),

используя следствие из закона Гесса, можно записать:

ΔН_ʄ298 (Сз Н₈ Оз)=3 ΔН_сгор.(Ст) + 4 ΔН_сгор./Н₂) - ΔН_сгор(Сз Н₈ Оз)

Теплоты сгорания простых веществ при стандартных условиях численно равны стандартной теплоте образования продукта сгорания, т.е. для реакций

Н₂+1/20₂ = Н₂О_(ж)

из справочника (5) определяем С + 0_2(г) ⁼С0_2(г)

ΔН_{298.сгор.}(Н₂) = ΔН_ʄ298(Н₂Ож) =-241.81 Кдж/моль

ΔН_298.сгор (С_гв) = ΔН_ʄ298(СО₂) = -393.51 Кдж/моль.

Теплоты сгорания органических веществ в стандартных условиях приведены в[1,ст.45].

ΔН_сгор298 (С₃ Н₈ О_3ж) = -1661.05 Кдж/моль.

тогда Н_ʄ298 (С3Н8Оз) = [3(-393,51) - 4(-285,83)]- (-1661.05)= -602.8 Кдж/моль По справочным данным эта величина равна -668.6 Кдж/моль.

Задача 3 Дайте заключение о возможности самопроизвольного протекания химической реакции при Т=298К

СНз -CН- COOН СНз -C-COOН +Н₂

ОН О

молочная к-та пировиноградная к-та

Вещество	ΔНʄ298 Кдж/моль	S298 Дж/моль*К
Молочная к-та	-673	192
Пировиноградная к-та	-586	179
Н2	0	130

Решение. Рассчитаем :

Изменение энтальпии: ΔНр = (-586+0)-(-673)=87(кДж)

Изменение энтропии: ΔSр = (179+130)-192 = 117 (Дж/К)

Изменение энергии Гиббса по уравнению Гиббса - Гельмгольца (первое приближение)

ΔG₂₉₈= ΔН₂₉₈-T ΔS₂₉₈=87*10³-298*117=52134(Дж)~52,1 кДж

реакция самопроизвольно протекать не может т.к. ΔG₂₉₈ > 0.

Задача 4. При 1000К и 1,013*10⁵Па из исходной смеси, содержащей 1 моль SО₂ и 0,6 моль О₂, при достижении равновесия образовалось 0,22 моль SОз. Определить Кр для реакции 2SO₂ + О₂ = 2SO₃

Решение. На образование 0,22 моль SO₂, согласно уравнению реакции израсходовано 0,22 моль SO₂ и 0,11 моль кислорода. Запишем число молей: 2SO₂ + О₂ = 2SO₃

в исходной смеси 1 0,6 0

в равновесной смеси (l-0,22)(0,6-0,1l) 0,22

0,78 0,49

Σv = 0,22+0,78+0,49= 1,49

Pso₂ =Nso₂*Poбщ. = (0,78/1,49)*1,013 *10⁵=5,31*10⁴Па

Po₂ = (0,49/1,49)* 1,013*10⁵= 3,22*10⁴Па

Pso₃= (0,22/1,49)* 1,013*10⁵= 1,5*10⁴Па

Kp= Pso₃/( Pso₂* Po₂) =(( 1,5*10⁴)²)/((5,31*10⁴)²*3,22* 10⁴) = 2,4*10-Па^-1

Задача 5. Для реакции: СО + CL₂ = COCL₂ при 600°С константа равновесия равна 6,386. В каком направлении будет протекать реакция, если в 1 л реакционной смеси находится

а) 1моль СО :1моль CL₂: 4моль COCL₂

б)1 моль СО : 1моль CL₂: 8моль COCL₂

в) 1мольСО: 1,565 моль CL₂ :10 моль COCL₂

Решение Воспользуемся уравнением изотермы химической реакции.

ΔG = - RTlnKc+RTln (C_COCL2)/(C_co*C_CL2)

а) ΔG = - RTln 6,386 - RTln 4

He производя вычислений, а лишь сравнив величины, стоящие за знаком логарифма, можно сделать вывод, что G<0. Это значит, что при смешивании реагирующих веществ в указанных соотношениях реакция пойдёт в сторону образования COCL₂

б) ΔG= - RTln 6,386+RTln 8

Сравнив оба слагаемых, можно сделать вывод, что ΔG>0. Это значит, что при смешивании реагирующих веществ в указанных соотношениях реакция пойдёт в сторону образования COCL₂.

в) ΔG= - RTln 6,386+RTln 6.386

Сравнив оба слагаемых, можно сделать вывод, что ΔG=0. В этом случае система находится в стоянии химического равновесия.

Задача 6. Рассчитать значение константы равновесия для реакции при 1000К, если изменение энергии Гиббса равно (-100,79 кДж)

1/2H_2(г)+l/2CL_2(г)= HCL_(г)

Решение. Воспользуемся уравнением изотермы при стандартных условиях. ΔG=RTlgКр,

lnKp=(-ΔG_т)/(2,3*RT)= (-100,79)/(2,3*8,31*1000)=5,27Кр = 1,86* 10⁵