Сдам Сам

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 (DG < 0). Если DG > 0 , реакция протекает в обратном направлении, а при DG = 0 система находится в состоянии химического равновесия.

Пример. Вычислить стандартные изменения энтальпии, энтропии, энергии Гиббса в реакции CO2(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 DS от температуры и считать их постоянными, можно рассчитать энергию Гиббса при нестандартной температуре Т: DG = DНТ×DS » = = 0 Þ Т = =

· Построить график зависимости от Т.

 

 

 
 

 


 

 

Из графика видно, что в интервале температур 0 – 982 К DG > 0, следовательно, прямая реакция невозможна; выше 982 К DG < 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)
2 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) + CO2 (г) = ВaCO3 (т)
2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)
N2O4 (г) = 2NO2 (г)
Al2O3 (т) + 3SO3 (г) = Al2(SO4) 3 (т)
CaO ) + Н2O (ж) = Ca(ОН)2 (т)
FeO(т)+ H2(г ) = Fe(т)2О(г)
CuO(т) + C(т) = Cu(к) + CO(г)
CaO ) +Fе2O3(т) = Ca(FеO2)2(т)
CaO (т) + SO3 (г) = CaSO4 (т)

Скорость химических процессов

 

Для полного описания химической реакции необходимо знать не только принципиальную возможность ее осуществления (решается термодинамически), но и закономерности протекания во времени, т.е. ее скорость и механизм.

Химические реакции могут проходить в гомогенных и гетерогенных системах. Гомогенной называют систему, однородную по составу и свойствам. Гетерогенной называют систему, состоящую из двух или более однородных частей, отделенных друг от друга поверхностью раздела.

Скорость гомогенной химической реакции определяется изменением кон-центрации одного из исходных веществ или продуктов реакции в единицу времени при неизменном объеме системы.

где – скорость химической реакции, моль/(л×с); C1 – первоначальная концентрация вещества (в момент времени τ1), моль/л; C2 – концентрация вещества в момент времени τ2 > τ1, моль/л; ΔС – изменение концентрации вещества за время Δτ = τ2 – τ1; τ1,– исходный момент времени, с; τ2 – текущий момент времени, с; (τ2 > τ1).

В гетерогенных системах реакции идут на поверхности раздела отдель- ных частей системы. Скорость гетерогенной реакции определяют изменением количества вещества, вступившего в реакцию или образующегося в реакции в единицу времени на единице поверхности.

где – изменение количества вещества, моль за промежуток времени Δτ, с;

S – площадь поверхности раздела, м2.

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации, температуры, присутствия катализаторов.

 







Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2017 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.