Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Энергетика химических процессов.

Читайте также:
  1. Возрастные особенности координации нервных процессов.
  2. Задание 4. Расчет объема применения агрохимических мероприятий на перспективу.
  3. Закон синхронизации процессов.
  4. Изменение физико-химических и реологических характеристик
  5. Качество воды и примеси химических соединений
  6. Лекция. Профилактика вредного воздействия на организм токсичных химических препаратов, микробиологических факторов, отходов анестезирующих газов.
  7. Мощная энергетика -гарантия успеха.

Термохимия

 

3.1 Термохимия

 

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии. Раздел химии, изучающий энергию химических реакций, называется термохимией, а количество энергии, выделенной или поглощенной системой в ходе реакции (при Р=const, Т=const), называется тепловым эффектом реакции или энтальпией реакции - DН, измеряется в кДж/моль.

Если в результате реакции теплота выделяется (DН<0), то реакция называется экзотермической. Реакция, протекающая с поглощением теплоты (DН>0), называется эндотермической.

Уравнения процессов, в которых указаны тепловые эффекты, называются термохимическими. Тепловой эффект записывается после уравнения реакции, например:

Н2(г) + ½ О2(г) = Н2О(ж); D = - 285 кДж.

Основным законом термохимии является закон Гесса:

тепловой эффект (или изменение энтальпии) реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий.

Сущность закона Гесса рассмотрим на примере окисления графита до оксида углерода (IV) СО2. Этот процесс можно осуществить или сразу:

а) С(гр) + О2(г) = СО2(г); DН,

или через промежуточные стадии:

б) С(гр) +1/2О2(г) = СО(г); DН1

в) СО(г) + 1/2О2(г) = СО2(г); DН2.

По закону Гесса DН = DН1 + DН2

При расчетах энтальпии химической реакции особое значение имеют – энтальпия образования вещества и энтальпия сгорания.

Энтальпией образования вещества называется тепловой эффект образования 1моль вещества из простых веществ, устойчивых при 298К и давлении 101,3 кПа. Энтальпию образования вещества обозначают D В или D .. Энтальпия образования простых веществ равна нулю.

Из закона Гесса следует, что энтальпия химической реакции равна разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпии образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Так для модельной реакции вида

аА + bB = сС + dD, где

a, b, c, d –коэффициенты перед формулами веществ A, B, C, D.

DН = (сD +dD ,D) – (aD ,A +bD ,B).

 

Пример 1. Определите тепловой эффект реакции получения водорода из природного газа:

СH4(г) + 2Н2О(г) = СО2(г) + 4Н2(г)

Решение: По закону Гесса:

Подставляя табличные данные DНоf веществ, получим:

о = (-393,5+4(0)) - (-74,85+2 (-241,82)) = 164,98 кДж/моль

Данная реакция является эндотермической.

 

Пример 2. Определите стандартную энтальпию образования пропана С3Н8, если энтальпия реакции

С3Н8(г) + 5О2(г) = 3СО2(г) + 4Н2О(г)

равна – 2043,86 кДж.

 

Решение. По закону Гесса:

Подставляя справочные данные DНоf веществ, получаем:

(кДж/моль).

Реакция образования пропана относится к экзотермическим.

 

Энтальпией сгорания называется тепловой эффект реакции окисления одного моля вещества кислородом с образованием оксидов элементов. Обозначается DНосгор. Окисление органических соединений происходит до СО2(г) и Н2О(ж).

Для негорючих веществ теплоты сгорания равны нулю.

Энтальпия реакции равна разности между суммой энтальпий сгорания исходных веществ и суммой энтальпий сгорания продуктов реакции.

Для модельной реакции аА + вВ = сС + dД

0 = (аDНосгор.А + вDНосгор.В) – (сDНосгор.С + dDНосгор.D)

Зная теплоты образования, можно рассчитать теплоты сгорания и, наоборот, по теплотам сгорания легко рассчитать теплоты образования.

 

Пример 3. Энтальпия сгорания метанола СН3ОН равна –726,64 кДж. Пользуясь значениями энтальпий образования СО2 и Н2О, рассчитайте энтальпию образования метанола СН3ОН.

 

Решение. Составим термохимические уравнения реакций, выписав из таблицы энтальпии образования СО2 и Н2О:

 

СН3ОН + 3/2О2 = СО2 + 2Н2О + 726, 64 (а)

С + О2 = СО2 + 393,51 (б)

2 ç Н2 + ½ О2 = Н2О + 285,84 (в)

 

Умножая уравнение (в) на 2, суммируя его с уравнением (б) и вычитая из этой суммы уравнение (а), получим:

С + 2Н2 + ½ О2 = СН3ОН + 238,5.

Отсюда DН0f.(СН3ОН) = -238,5 (кДж/моль).

3.2 Энтропия химических реакций

 

Многие процессы протекают без подвода энергии от внешнего источника. Такие процессы называются самопроизвольными. Одной из движущих сил самопроизвольных процессов является уменьшение энтальпии системы (DН < 0) (энтальпийный фактор). Другая движущая сила – стремление частиц (молекул, ионов, атомов) к хаотическому движению, а системы – к переходу от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному.

Мерой неупорядоченности состояния системы служит термодинамическая функция, получившая название энтропии – S.

Математически S = RlnW, где

W – вероятность системы;

R – универсальная газовая постоянная.

Энтропия имеет размерность Дж/(моль×К).

Энтропия реакции равна сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Например, энтропия реакции:

СН4 + Н2О(г) = СО + 3Н2

при стандартных условиях равна:

DSo=214,39 (Дж/моль×К)

Энтропия увеличивается при переходе вещества из твердого в жидкое (DSпл), из жидкого в газообразное (DSкип), а также при переходе из кристаллического состояния в аморфное. Если в результате процесса возрастает число молей газообразных веществ, то энтропия реакции также увеличивается.

 

Пример 4. Определите, может ли реакция:

(гр) + 3Н2(г) = С2Н6(г)

протекать самопроизвольно при постоянной температуре, если энтропии веществ равны (Дж/(моль×К):

; ; .

Решение. Изменение энтропии DSo химического процесса равно:

Реакция не может протекать самопроизвольно, так как DS < 0.

3.3 Энергия Гиббса

В любых химических процессах проявляются две тенденции: а) стремление к образованию прочных связей между частицами – энтальпийный

фактор (DH);

б) стремление к беспорядочному движению, возрастанию энтропии – энтропийный фактор (ТDS). Оба этих фактора объединяет функция, называемая энергией Гиббса (DG).

DG =DH - ТDS.

Энергия Гиббса служит критерием самопроизвольного протекания химической реакции. Химическая реакция принципиально возможна, если энергия Гиббса уменьшается, то есть DG < 0.

Если энергия Гиббса возрастает (DG > 0), реакция самопроизвольно в прямом направлении протекать не может, но возможно ее течение в обратном направлении.

Если DG = 0, то реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, наступает состояние равновесия.

Изменение энергии Гиббса (DG) равно разности сумм энергии Гиббса продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов, т.е.

Пример 5. Определите, возможна ли реакция

SiO2(кр) + 2NaOH(р) = Na2SiO3(кр) + H2O(ж),

если энергии Гиббса веществ равны (кДж/моль):

; ; ;

Решение. Изменение энергии Гиббса (DGо) реакции равно:

DGо =( + ) - ( )

Подставляя численные значения, получаем:

DGо =(-1427,80-237,50) - (- 803,75-2·419,50) = - 22,55 кДж/моль.

Реакция возможна, так как DGо<0.

В соответствии с уравнением DG=DH-TDS самопроизвольному протеканию процесса способствует уменьшение энтальпийного фактора и увеличение энтропийного.

Для экзотермических реакций, когда DH<0 и в ходе реакции DS>0, DG <0 при любых температурах. Такие реакции самопроизвольно могут протекать только в прямом направлении, т.е. являются необратимыми, например:

С(гр) + ½ О2 = СО

(DH= -110кДж/моль; DS=89,18Дж/(моль·К))

Наоборот, эндотермическая реакция (DH>0), в результате которой DS<0, не может протекать самопроизвольно, например:

СО = С(гр) + 1/2О2

Если в результате реакции DH < 0 и DS < 0, то при невысокой температуре |DH| > |TDS|, реакция возможна (DG < 0). При высоких температурах |DH| < |TDS|, прямая реакция невозможна (DG > 0), а обратная возможна. Например:

CaO + CO2 = CaCO3

DHo= -177,4 кДж/моль

Отсюда, DGo=DH-TDS = -177,4 - 298·(160,4·10-3)= -129,6 (кДж/моль)

Реакция возможна при стандартных условиях.

Если Т = 1200К

DGo = -177,4 - 1200·(-0,1604) = 15,08 (кДж/моль)

Реакция невозможна.

Для определения температуры, выше которой происходит смена знака энергии Гиббса(DG), можно воспользоваться условием DG=0, при котором система находится в состоянии равновесия. Тогда Тр=DH/DS, где Тр- температура равновесия.

Для приведенной выше реакции смена знака энергии Гиббса происходит при:

Задачи к разделу 3:

«Энергетика химических процессов.

Термохимия»

 

61. Определите энтальпию образования сероуглерода СS2

CS2(Г) + 3О2 = СО2(Г) + 2SО2(Г),

если известно, что: DН = 1075 кДж.

62. При взаимодействии 5 г металлического натрия с водой выделяется 40 кДж теплоты, а при взаимодействии 10 г оксида натрия Na2O с водой выделяется 36,46 кДж теплоты. Определите энтальпию образования Na2O.

 

63. Определите стандартную энтальпию образования Fe2O3, если при реакции

2Fe(т) + Al2O3(т) = Fe2O3(т) + 2Al(т)

на каждые 80 г Fe2O3 поглощается 426,5 кДж.

 

64. Определите стандартную энтальпию образования сахарозы С12Н22О11, если энтальпия реакции:

С12Н22О11(Т) + 12О2(Г) = 12 СО2(Г) + 11Н2О(Ж)

равна -5694 кДж.

65. Восстановление диоксида свинца протекает по уравнению:

РвО2(Т) + Н2(Г) = РвО(Т) + Н2О(Г) - 182,8 кДж.

Определите стандартную энтальпию образования РbО2.

66. При взаимодействии трех молей оксида азота (I) N2O с аммиаком образуется азот и пары воды. Тепловой эффект реакции равен - 877,76 кДж. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите энтальпию образования N2O (г).

67. Определите возможность протекания реакции:

2С (графит) + Н2(г) = С2Н2 (г),

рассчитав DSо,o и DGo этого процесса.

 

68. Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и оксида углерода (IV) равен - 3135,58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите энтальпию образования С6Н6 (ж).

 

69. Определите энтальпию реакции,

2PbS(т) + 3O2(г) = 2PbO(т) + 2 SO2(г),

используя значение стандартных энтальпий образования реагирующих веществ. При какой температуре возможна эта реакция?

 

70. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота (II) NO (г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект в расчете на 1 моль NH3 (г). Определите температуру равновесия этой реакции.

 

71. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе:

2NO (г) + O2 (г) Û 2NO2 (г)

Ответ мотивируйте, вычислив DG0 прямой реакции.

 

72. Вычислив системы

PbO2 (т)+ Pb(т) = 2PbO(т)

на основании и реагирующих веществ, определите, возможна ли эта реакция при стандартных условиях.

 

73. На основании величин и реагирующих веществ вычислите

реакции:

СО (г) + Н2О (г) = СО (г) + Н2 (г).

В каком направлении будет протекать реакция?

 

74. Определите тепловой эффект реакции:

CO2 (г) + 4H2 (г) = CH4 (г) + 2H2O (ж),

используя значения и реагирующих веществ. Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

 

75. Определите тепловой эффект реакции

4NH3 (г) + 5O2 (г)= 4NO (г) + 6H2O (г),

используя значения и реагирующих веществ. Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

 

76. Эндотермическая реакция взаимодействия метана с оксидом углерода (IV) протекает по уравнению

CH4 (г) + CO2 (г) = 2CO (г) + 2H2 (г); DН= +247,37 кДж.

При какой температуре начнется эта реакция?

77. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация PCl5, протекающая по уравнению:

PCl5 (г) = PCl3 (г) + Cl2 (г); DН= +92,59 кДж.

 

78. Укажите, какая из двух реакций будет протекать самопроизвольно:

а) Fe (т) + Al2O3 (т) = Al(т) + Fe2O3 (т)

б) Al (т)+ Fe2O3 (т) = Fe(т) + Al2O3 (т)

 

79. Образование H2S из простых веществ протекает по уравнению:

Н2(Г) + S(РОМБ.) = Н2S(Г); DН = 20,15 к/Дж

Определите и для этой реакции.

 

80. Получение СО2 из простых веществ идёт по уравнению:

С(К) + О2(Г) = СО2(Г); DН = −393,51 к/Дж

Определите и для этой реакции.

 

Раздел 4


Дата добавления: 2015-10-24; просмотров: 178 | Нарушение авторских прав


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Существует два подхода к описанию химической связи: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).| Химическое равновесие

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.023 сек.)