Задача n 71

Вычислите стандартные величины H⁰_298, S⁰₂₉₈ и G⁰₂₉₈ для реакции:

CdO_(тв) + H_2(г) ⇄ Cd_(тв) + H₂O_(г)

Объясните знак изменения энтальпии и энтропии. Возможно ли самопроизвольное протекание данной реакции при стандартных условиях ?

Решение

H (энтальпия), S (энтропия) и G (свободная энергия Гиббса или термодинамический потенциал) являются термодинамическими функциями состояния и обладают общим свойством: их изменение в ходе химической реакции не зависит от пути этой реакции, а определяется только начальными и конечными веществами. Это позволяет вычислять H, S, G для реакции общего вида aA + bB = cC + dD по формулам:

H⁰ = (cH⁰_C + dH⁰_D) - (aH⁰_A + bH⁰_B)

S⁰ = (cS⁰_C + dS⁰_D) - (aS⁰_A + bS⁰_B)

G⁰ = (cG⁰_C + dG⁰_D) - (aG⁰_A + bG⁰_B),

где

H⁰_C, H⁰_D, H⁰_A, H⁰_B - стандартные энтальпии образования веществ C, D, A, B

G⁰_C, G⁰_D, G⁰_A, G⁰_B - стандартные свободные энергии образования веществ C, D, A, B.

Величину G⁰ можно вычислить по формуле:

G⁰ = H⁰ - T S⁰

(при этом для стандартных условий T = 298 К).

CdO_(тв) + H_2(г) ⇄ Cd_(тв) + H₂O_(г)

Для реакции, указанной в условии задачи, выписываем необходимые справочные данные:

Вещество	∆H^of, 298°, кДж/моль	S^o298°, Дж/(К·моль)
H2(г)	0,00	130,52
H2O(г)	-241,81	188,72
Cd(тв)	0,00	51,76
CdO(тв)	-258,99	54,81

Составляем расчетные формулы и подставляем в них численные значения:

H⁰ = (H⁰ H₂O+H⁰ Cd) - (H⁰ H₂ +H⁰ CdO) = 17,18 кДж

S⁰ = (S⁰ H₂O+S⁰ Cd) - (S⁰ H₂ +S⁰ CdO) =55,51 Дж/К =0.05 к Дж/К

G⁰ = H⁰ - 298 ∙S⁰ = 17,18-298∙0,05 = 2,28 кДж

Изменения термодинамических функций H, S, G в ходе химической реакции позволяют судить об особенностях протекания данной реакции и ее природе.

H определяет величину теплового эффекта химической реакции. Процесс, характеризующийся величиной H<0, происходит с выделением тепла и относится к разряду экзотермических. H>0 говорит о том, что тепло в ходе реакции поглощается, такие реакции называются эндотермическими.

В данной реакции величина H > 0, следовательно, тепло поглощается, и реакция является эндотермической.

S характеризует изменение степени неупорядоченности системы.

Возрастание энтропии (S⁰>0) говорит о возрастании неупорядоченности в расположении и перемещении частиц в ходе химической реакции. Это происходит, например, при превращении твердых веществ в жидкие или газообразные или при увеличении количеств газообразных веществ. Напротив, уменьшение энтропии (S⁰<0) cвидетельствует о возрастании упорядоченности системы в ходе реакции. Уменьшение энтропии характерно для реакций, в ходе которых, например, газообразные или жидкие вещества превращаются в твердые, а также для газовых реакций, сопровождающихся уменьшением количеств газообразных веществ.

Для данной реакции рассчитанная величина изменения энтропии S⁰стремится к 0, что свидетельствует о сохранении неупорядоченности в данной системе. Действительно, из уравнения реакции видно, что в ходе реакции из 1 моль газообразных веществ H_2(г) образуется 1 моль газообразных веществ H₂O, следовательно, степень неупорядоченности остается неизменной.

Величина G⁰ позволяет судить о принципиальной возможности самопроизвольного протекания химической реакции при стандартных условиях: если G⁰ < 0, данная химическая реакция принципиально осуществима при стандартных условиях, если же G⁰ > 0, то нет (в этом случае осуществима обратная реакция). Состояние химического равновесия в системе отвечает равенству G⁰ = 0.

Для рассматриваемой в задаче реакции вычисленная величина G⁰ составляет 280,12 кДж, т.е. G⁰ > 0. Следовательно, данная химическая реакция при стандартных условиях принципиально не осуществима.

Задача N 91

Для реакции:

CdO_(тв) + H_2(г) ⇄ Cd_(тв) + H₂O_(г)

• составьте кинетическое уравнение;

• составьте выражение для константы равновесия;

• вычислите, во сколько раз изменится скорость реакции при заданных изменениях:

1. температуры,

2. общего давления (при изменении объема системы),

3. концентраций реагентов

• укажите, как необходимо изменить внешние параметры (температуру, общее давление, концентрации реагентов), чтобы сместить равновесие вправо.

Hомеp Задачи	Поpядок по 1-му Pеагенту	Поpядок по 2-му pеагенту	γ	T1, K	T2, K
91	0	1	3,3	328	378	10	5	5