Контрольная работа по "Химии"

ΔS⁰₂ и   ΔS⁰₃ – изменение энтропии при изобарическом нагревании соответственно жидкого и газообразного октана.

       Для расчета ΔS⁰₁     и     ΔS⁰₃ выписываем из справочной таблицы значения стандартных молярных изобарных теплоемкостей жидкого и газообразного октана, которые составляют:

с⁰_р,298, С₈Н_18,ж = 254,14 Дж∙моль^-1∙К^-1; с⁰_р,298, С₈Н_18,газ =188,87 Дж∙моль^-1∙К^-1;

=  87,38 Дж∙моль^-1∙К^-1

= 59,35 Дж∙моль^-1∙К^-1

Для расчета ΔS⁰₂ предварительно определяем тепловой эффект испарения октана  при стандартных условиях и  Т = 298 К:

ΔНº_298,исп = ΔН⁰ _{f, 298,} С₈Н₁₈, _газ - ΔН⁰ _{f, 298,} С₈Н₁₈,ж

ΔН⁰ _{f, 298,} С₈Н₁₈О,_газ= -208,45 Дж∙моль^-1; ΔН⁰ _{f, 298,} С₈Н₁₈,ж = -249,95 Дж∙моль^-1;

ΔНº_298,исп = -208,45 Дж∙моль^-1 –(-249,95) Дж∙моль^-1 = 41,5 Дж∙моль^-1;

 

Вычислим общее изменение  энтропии:

ΔS⁰ = ΔS⁰₁  + ΔS⁰₂ + ΔS⁰₃ = 87,38 Дж∙моль^-1∙К^-1 + 101,47 Дж∙моль^-1∙К^-1 + 59,35 Дж∙моль^-1∙К^-1 = 248,2 Дж∙моль^-1∙К^-1

 

Ответ: ΔS⁰ = 248,2 Дж∙моль^-1∙К^-1.

 

 

 

 

Задача 6

Гетерогенная реакции протекает при постоянной температуре Т (табл. 3.6). Необходимо:

1. при помощи справочных данных из табл. П. 1 или из табл.44 справочника [9] определить стандартное изменение энергии Гиббса для данной реакции при температуре Т (ΔG⁰_Т). При расчетах принять, что теплоемкость газа не зависит от температуры и по величине равна стандартной молярной изобарной теплоемкости с⁰_{р, 298};
2. записать выражение для константы равновесия К_р этой реакции (через равновесные парциальные давления реагентов);
3. на основании термодинамических данных (ΔG⁰_Т) вычислить значения констант равновесия К_р и К_с этой реакции при температуре Т.

Вариант	Реакция	Т,К
19	Mg(ОН)2,тв ⇄ MgOтв + Н2Огаз	650

 

 Решение:

1) Выписываем из справочника значения теплот образования веществ, молярных энтропий и молярных изобарных теплоемкостей веществ, молярных изобарных теплоемкостей веществ, участвующих в реакции.

Вещество	Mg(ОН)2,тв	MgOтв	Н2Огаз
∆Н0f, 298, кДж∙ моль-1	-924,66	-601,49	-241,81
S0298, Дж∙моль-1∙К-1	63,18	27,07	188,72
с0р,298, Дж∙моль-1∙К-1	76,99	37,20	33,61

 

Рассчитаем значения ΔНº₂₉₈ , ΔSº₂₉₈ и Δс⁰_{р, 298} исследуемой реакции:

ΔНº₂₉₈ =1моль∙ ΔН⁰ _{f, 298,} Н₂О_,газ+ 1моль∙ΔН⁰ _{f, 298,} MgO_,тв - 1моль∙ΔН⁰ _{f, 298,} Mg(ОН)_2,тв )=

= 1моль∙(-241,81) кДж∙ моль^-1 + 1моль(-601,49)кДж∙ моль^-1 -

- 1моль∙ (-924,66) кДж∙ моль^-1 = 81,36  кДж.

ΔSº₂₉₈ =1моль∙ S⁰_298, Н₂О_,газ + 1моль∙S⁰_298, MgO_,ТВ -  1моль∙S⁰ _298, Mg(ОН)_{2 тв} =

     = 1моль∙188,72 Дж∙моль^-1∙К^-1 + 1моль∙27,07 Дж∙моль^-1∙К^-1 - 1 моль∙63,18 Дж∙моль^-1∙К^-1 = 152,61  Дж∙K^-1.

Δсº _{р, 298} =1моль∙ с⁰_{р, 298}, Н₂О_,газ + 1моль∙ с⁰_{р, 298}, MgO_,тв-  1моль∙ с⁰_{р, 298}, Mg(ОН)_2,ТВ =  

   = 1моль∙33,61 Дж∙моль^-1∙К^-1 + 1моль∙37,20 Дж∙моль^-1∙К^-1 - 1 моль∙76,99 Дж∙моль^-1∙К^-1  = -6,18  Дж∙K^-1.

 

Вычислим значения соответственно ΔНº₆₅₀ , ΔSº₆₅₀ исследуемой реакции:

ΔНº₆₅₀= ΔНº₂₉₈ + Δсº _{р, 298} (Т – 298)= 81360  Дж + (-6,18 ) Дж∙K^-1∙(650 К–298К)=   = 79185 Дж;

ΔSº₆₅₀ = ΔSº₂₉₈ + Δсº_{Р ,298} = 175,63 Дж∙K^-1 + (-6,18 )Дж∙K^-1 ∙ =

= 170,81 Дж∙K^-1.

Определим значение ΔG⁰₉₅₀ исследуемой реакции:

ΔG⁰₆₅₀  = ΔНº₆₅₀ - Т ΔSº₆₅₀ = 79185 Дж – 650К∙170,81 Дж∙K^-1 = -31842 Дж

ΔG⁰₆₅₀  < 0 , следовательно, данная реакция термодинамически возможна при Т = 650 К и стандартных давлениях реагентов.

 

Ответ: ΔG⁰₆₅₀  = -31842   Дж.

 

2) запишем  выражение для константы равновесия К_р этой реакции (через равновесные парциальные давления реагентов):

Mg(ОН)_2,тв ⇄ MgO_тв + Н₂О_газ

 

 

3)  На основании термодинамических данных (ΔG⁰_Т) вычислим  значения констант равновесия К_р и К_с этой реакции при температуре Т.

 

 

 

 

Δν – изменение числа молей газообразных веществ в ходе химической реакции;

Δν  = 1моль – 0моль = 1,

 

 

Ответ: К_р,650 = К_с,950 = 6,79 л/моль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 7

1. Рассчитать константу равновесия К_р химической реакции

 ν_АА + ν_ВВ ⇄ ν_СС+ ν_DD

при температуре T (табл. 3.7) на основании справочных термодинамических данных из табл. П.1 или из табл. 44 справочника [9].

2.  По уравнению изотермы химической реакции вычислить изменение энергии Гиббса данной реакции при температуре Т, если начальные парциальные давления газообразных участников реакции А, В, С и D равны соответственно р_0,А,  р_0,В,  р_0,С ,  р_0,D, атм (табл. 3.8). Сделать вывод о направлении протекания реакции.

3. Определить равновесный выход продукта реакции С, если начальные парциальные давления исходных реагентов А и В равны соответственно

р_0,А,  р_0,В, а начальные парциальные давления продуктов реакции С и D равны нулю.

4. Указать, как влияет на величину равновесного выхода продукта реакции - вещества С:

а) увеличение общего давления;

б) повышение температуры;

в) введение в систему газообразных инертных примесей (при постоянном общем давлении);

г) увеличение парциального давления исходного реагента А (при V= const).

5. Определить величину равновесной степени превращения вещества А при условиях, указанных в п. 3.

Вариант	Уравнение реакции νАА + νВВ ⇄ νСС+ νDD	Т,К
21	N2O4, газ ⇄ 2NO2, газ	320

 

Вариант	Начальное давление р0,i, атм
	р0,А	р0,В	р0,С	р0,D
21	0,6	-	0,7	-

Решение:

Рассчитаем константу равновесия К_р химической реакции

N₂O_{4, газ} ⇄ 2NO_{2, газ}   при температуре 320 К.

Вещество	N2O4, газ	NO2, газ
∆Н0f, 298, кДж∙ моль-1	11,11	34,19
S0298, Дж∙моль-1∙К-1	304,35	240,06
с0р,298, Дж∙моль-1∙К-1	79,16	36,66

 

Рассчитаем значения ΔНº₂₉₈ , ΔSº₂₉₈ и Δс⁰_{р, 298}исследуемой реакции:

ΔНº₂₉₈ =2моль∙ ΔН⁰ _{f, 298,} NO_{2, газ} - 1моль∙ ΔН⁰ _{f, 298,} N₂O_{4, газ} =

= 2 моль∙ 34,19 кДж∙ моль^-1   - 1моль∙ 11,11 кДж∙ моль^-1 = 57,27 кДж.

ΔSº₂₉₈ =2моль∙S⁰_298, NO_{2, газ} - 1моль∙S⁰_298, N₂O_{4, газ} =2моль∙240,06Дж∙моль^-1∙К^-1 + 1моль∙304,35 Дж∙моль^-1∙К^-1   = 175,77  Дж∙K^-1.

Δсº _{р, 298} =2моль∙ сº _{р, 298,} NO_{2, газ} - 1моль∙ сº _{р, 298,} N₂O_{4, газ} =2моль∙36,66 Дж∙моль^-1∙К^-1 - - 1моль∙79,16 Дж∙моль^-1∙К^-1   = - 5,84  Дж∙K^-1.

 

Вычислим значения соответственно ΔНº₃₂₀ , ΔSº₃₂₀ исследуемой реакции:

ΔНº₃₂₀= ΔНº₂₉₈ +  Δсº _{р, 298} (Т – 298) = 57270 Дж + (- 5,84  ) Дж∙K^-1∙(320 К–298К) = 57141,5  Дж;

ΔSº₃₂₀ = ΔSº₂₉₈ + Δсº_{Р ,298} = 175,77  Дж∙K^-1 + (- 5,84  )  Дж∙K^-1 ∙ =

= 175,35 Дж∙K^-1.

Определим значение ΔG⁰₃₂₀ исследуемой реакции:

ΔG⁰₃₂₀  = ΔНº₃₂₀ - Т ΔSº₃₂₀ = 57141,5 Дж – 320К∙175,35 Дж∙K^-1 = 1028,21 Дж

На основании термодинамических данных (ΔG⁰₃₂₀) вычислим  значения констант равновесия К_р этой реакции при температуре 320.

 

К_р,320 = 1,47 (атм).

 

2.  По уравнению изотермы химической реакции вычислим изменение энергии Гиббса данной реакции при температуре 320:

N₂O_{4, газ} ⇄ 2NO_{2, газ}  

 

Поскольку ΔG₃₂₀ < 0, при указанных условиях темодинамически возможной является прямая реакция.

 

3. Определим  равновесный выход продукта реакции NO_{2, газ}, если начальные парциальное давление исходного  реагента  N₂O_{4, газ} равно

 р_0, N₂O_{4, газ} = 0,7 атм, а начальное  парциальное давление продукта реакции

NO_{2, газ} равно 0.

Обозначим равновесные давления участников реакции как р_i (рN₂O_{4, газ}, рNO_{2, газ}), а изменения их парциальных давлений к моменту установления в системе химического равновесия - как Δр_i, (расход исходного реагента - ΔрN₂O_{4, газ}, , а приход продукта  реакции – ΔрNO_{2, газ}).

Находим ΔрNO_{2, газ}, выразив эту величину через равновесное давление продукта реакции рN₂O_{4, газ} .

Составляем пропорцию:

1 моль N₂O_{4, газ} - 2моль NO_{2, газ},

                                                      ΔрN₂O_{4, газ} -  ½ ΔрNO_{2, газ}

откуда ΔрNO_{2, газ} = 2ΔрN₂O_{4, газ}

Если р_0,NO_{2, газ} = 0, то ΔрNO_{2, газ}  = 2ΔрN₂O_{4, газ} = рNO_{2, газ}

Устанавливаем равновесные давления исходных реагентов, учитывая, что равновесное давление исходного вещества представляет собой разность между его начальным давлением в реакционной смеси и расходом к моменту установления в системе химического равновесия:

рN₂O_{4, газ} = р_0, N₂O_{4, газ}- ΔрN₂O_{4, газ}  = 0,6 - рNO_{2, газ}

рNO_{2, газ} = ΔрNO_{2, газ}

Учитывая выражения, полученные для равновесных парциальных давлений участников реакции, составляем таблицу.

Участники реакции	Давление, атм
	p0,i	Δрi		рi
N2O4, газ	0,6		½ ΔрNO2, газ		0,6 - ½ рNO2, газ
NO2, газ	0		ΔрNO2, газ		рNO2, газ

 

Записываем выражение для константы равновесия химической реакции и определим рNO_{2, газ}:

 

 

рNO_{2, газ} = х

 

 

х² + 0,735 х – 0,882 = 0

х = 1,0

рNO_{2, газ} = х = 1,0 атм.

рN₂O_{4, газ} = 0,6 – ½ рNO_{2, газ} = 0,6 – 0,5 = 0,1 атм.

Вычислим равновесный выход  NO_{2, газ}  . Общее равновесное давление в смеси составляет:

р_общ = рNO_{2, газ}  + р N₂O_{4, газ}  = 1,0 атм + 0,1 атм = 1,1  атм.

 

 

Ответ: рNO_{2, газ} = 1,0 атм; ₌ 0,1 %.

 4 а) увеличение общего давления согласно принципу Ле Шателье приведет к смещению равновесия в сторону реакции понижающей давление, так как в данной реакции происходит увеличение числа молей газообразных веществ, поэтому увеличение давление приведет к смещению равновесия в сторону обратной реакции;

б) повышение температуры приведет к смещению равновесия в сторону эндотермической реакции, в данном случае эндотермической является прямая реакция ;

в) введение в систему газообразных инертных примесей (при постоянном общем давлении) приведет к уменьшению парциальных давлений реагирующих веществ и продуктов, следовательно, смещения  равновесия не произойдет;

г) при  увеличении парциального давления исходного реагента N₂O_{4, газ} (при V= const) откликом системы должно быть ее уменьшение. Это произойдет, если новое состояние равновесия будет отличаться меньшим содержанием исходного вещества и большим - продуктов реакции. Следовательно, равновесие сместится вправо.

 

5. Определим величину равновесной степени превращения вещества А при условиях, указанных в п. 3:

ΔрN₂O_{4, газ} = ½ ΔрNO_{2, газ} = 0,5 атм.

 

∙100% = 83,33 %

 

Ответ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 8

1. Записать выражение К_р реакции (табл. 3.9), указать, является реакция гомогенной или гетерогенной.

Вариант	Химическая реакция
23	2Сграфит  + 2Н2,газ ⇄ С2Н4, газ

 

2.  По известным значениям К_р (атм) этой реакции при различных температурах (табл. 3.10) построить график зависимости ln К_p = f(1/T) и определить графически тепловой эффект реакции в данном интервале температур.

Вариант	Температура, К				Константа равновесия Кр (атм)
	Т1	Т2	Т3	Т4	Кр,Т1	Кр,Т2	Кр,Т3	Кр,Т4
23	800	900	1000	1100	1,68∙10-7	3,03∙10-7	4,64∙10-7	6,37∙10-7