Некоторых веществ
Вещество | Состояние | кДж/моль | Вещество | Состояние | кДж/моль |
С2Н2 | г | +226,75 | СО | г | -110,52 |
CS2 | г | +115,28 | СН3ОН | г | -201,17 |
NO | г | +90,37 | С2Н5OН | г | -235,31 |
С6Н6 | г | +82,93 | H2O | г | -241,83 |
С2Н4 | г | +52,28 | Н2О | ж | -285,84 |
H2S | г | -20,15 | NH4C1 | к | -315,39 |
NН3 | г | -46,19 | СО2 | г | -393,51 |
СН4 | г | -74,85 | Fе2О3 | к | -822,10 |
С2Н6 | г | -84,67 | TiO2 | к | -943,90 |
НС1 | г | -92,31 | Са(ОН)2 | к | -986,50 |
А12O3 | к | -1669,80 |
Пример 2. Реакция горения этана выражается уравнением:
С2Н6(г) + 31/2О2= 2СО2(г)+3Н2О(ж); ∆Hх.р.= -1559,87 кДж
Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СO2(г) и Н2O(ж) (см. табл. 15).
Решение. Теплотой образования (энтальпией) данного соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях.
Обычно теплоту образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25° С (298 К) и 1,013×105 Па и обозначают через .Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то в дальнейшем индексы опускаются и тепловой эффект обозначается через Н. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид
2С(графит)+3Н2(г) = С2Н6(г); ∆H = ?
исходя из следующих данных:
а) С2Н6(г) + 31/2О2(г)=2СО2(г)+3Н2О(ж); ∆H =-1559,87 кДж
б) 2С(графит)+О2(г)= СО2(г); ∆H =-393,51 кДж
в) Н2(г)+ 1/2О2=Н2О(ж); ∆H =-285,84 кДж
На основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) — на 3, а затем сумму этих уравнений вычитают из уравнения (а):
С2Н6 + 31/2О2-2С-2О2-3Н2-3/2О2=2СО2+3Н2О-2СО2-3Н2О
∆H =-1559,87-2(-393,51)-3(-285,84)= +84,67 кДж;
∆H =-1559,87+787,02+857,52;
С2Н6=2С+3Н2; ∆H = +84,67 кДж
Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то . К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:
∆Hх.р. =2∆Hсо2+3∆Hн2о-∆Hс2н6-31/2∆Hо2
Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю
∆Hс2н6=2∆Hсо2+3∆Hн2о-∆Hх.р.
∆Hс2н6=2(-393,51)+3(-258,84)+1559,87=-84,67;
∆Hобрс2н6(г)=-84,67 кДж
Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением
С2Н5ОН(ж)+3О2(г)=2СО2(г)+3Н2О(ж); ∆H=?
Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что молярная теплота парообразования С2Н5OН(ж) равна +42,36 кДж, а теплоты образования С2Н5OН(г), СO2(г), Н2O(ж) см. табл. 15.
Решение. Для определения Н реакции необходимо знать теплоту образования С2Н5OН(ж). Последнюю находим из данных:
С2Н5ОН(ж) = С2Н5ОН(г); ∆H = + 42,36 кДж
+42,36 = - 235,31- ∆Hс2н5он (ж);
∆Hс2н5он (ж) = - 235,31-42,36 = -277,67 кДж
Вычисляем H реакции, применяя следствие из закона Гесса:
∆Hх.р.=2(-393,51)+3(-285,84)+277,67=-1366,87 кДж
5.5. Химическое сродство. Энтропия химических реакций. Энергия Гиббса. Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.
Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре проходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению Н; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая — с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.
Энтропия S, так же как внутренняя энергия U, энтальпия Н, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, H, V обладают аддитивными свойствами, т.е. при соприкосновении системы суммируются. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п.— ведут к уменьшению энтропии. Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изменение зависит только от начального (S1) и конечного (S2) состояний и не зависит от пути процесса:
∆Sx.p.=∑S0прод - ∑S0исх
∆S=S2-S1
если S2>S1, то ∆S>0
если S2<S1, то ∆S<0 (2)
Так как энтропия увеличивается с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка равна »T S. Энтропия выражается в Дж/(моль.К).
Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку (TS). При р = const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают G, можно найти из соотношения
∆G=(H2-H1)-(TS2-TS1); ∆G=∆H-T∆S
где: величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса.
Мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса ( G), которая зависит от природы вещества, его количества и температуры.
Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому
∆Gx.p.=∑ ∆Goбpпрод-∑∆Goбpисх (3)
Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и, в частности, в сторону уменьшения G. Если G < 0, процесс принципиально осуществим; если G>0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше G, тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором G = 0 и H= T S.
Из соотношения G = H – T S видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых H>0 (эндотермические). Это возможно, когда S>0, но |T S| > | H| и тогда G<0. С другой стороны, экзотермические реакции ( H<0) самопроизвольно не протекают, если при S<0 окажется, что G>0.
5.6. Второй и третий законы термодинамики.Для систем, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом (изолированные системы), второй закон термодинамики имеет следующую формулировку: в изолированных системах самопроизвольно идут только такие процессы, которые сопровождаются возрастанием энтропии: AS > 0.
Второй закон термодинамики имеет статистический характер, т.е.
справедлив лишь для систем, состоящих из очень большого числа
частиц.
Однако, если в системе протекает химическая реакция, то система обменивается энергией с окружающей средой, т.е. не является изолированной. Химические реакции обычно сопровождаются изменением как энтропии, так и энтальпии.
В отличие от других термодинамических функций, можно определить не только изменение, но абсолютное значение энтропии. Это вытекает из высказанного в 1911 г. М. Планком постулата, согласно которому «при абсолютном нуле энтропия идеального кристалла равна нулю». Этот постулат получил название третьего закона термодинамики.
Пример 1. В каком состоянии энтропия 1 моль вещества больше при одинаковой температуре: в кристаллическом или парообразном?
Решение. Энтропия есть мера неупорядоченности состояния вещества. В кристалле частицы (атомы, ионы) расположены упорядоченно и могут находиться лишь в определенных точках пространства, а для газа таких ограничений нет. Объем 1 моль газа гораздо больше объема 1 моль кристаллического вещества; возможность хаотичного движения молекул газа больше. А так как энтропию можно рассматривать как количественную меру хаотичности атомно-молекулярной структуры вещества, то энтропия 1 моль паров вещества больше энтропии 1 моль его кристаллов при одинаковой температуре.
Пример 2. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе
СН4(г)+СО2 ↔ 2СО(г)+2Н2(г)
Решение. Вычислим прямой реакции. Значения соответствующих веществ приведены в табл. 16. Зная, что G есть функция состояния и что G для простых веществ, находящихся в устойчивых при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю, находим процесса:
∆G0298 = 2 (-137,27) +2 (0) - (-50,79-394,38) = +170,63 кДж
То, что > 0, указывает на невозможность самопроизвольного протекания прямой реакции при Т = 298К и давлении взятых газов равном 1,013 ∙ 105 Па (760 мм рт. ст. = 1 атм).
Таблица 16
Дата добавления: 2014-12-26; просмотров: 1158;