1. Задание.
Определить ∆Н, ∆U, ∆S, ∆F, ∆G реакции при постоянном давлении р =Па и Т = 450 К.
Справочные материалы.
Вещество
∆
кДж/моль
Дж/моль*К
∆
кДж/моль
Коэффициенты уравнения
a
b*
-1675,69
50,92
-1582,27
114,55
12,89
-34,31
-395,85
256,69
-371,17
64,98
11,75
-16,37
-3441,80
239,20
-3100,87
366,31
62,59
-112,47
1.1 Расчет теплового эффекта реакции
Расчет теплового эффекта реакции в изобарном процессе в стандартных условиях (DH):
∆= ∆-(∆)
∆-3441,80-(-1675,69+3(-395,85))=-578,56 кДж
Вывод: В стандартных условиях данный процесс является экзотермический, реакция идет с выделением тепла.
Расчет теплового эффекта реакции в изобарном процессе при заданной температуре(DH):
∆с=0, т.к. все вещества неорганические
∆
∆a ==366,31-(114,55+3*64,98)=56,82
∆b ==62,59-(12,89+3*11,75)=14,45*1
∆=)=-112,47-(-34,31-3*16,37)=-29,05*1
∆=-578560+56,82+14,45*1T-29,05*1/)dT= -578560+56,82+14,45*1-29,05*1= -578560+56,82(450-298)+14,45*1/2*(45-29)-29,05*1((450-298)/298*450)=-578560+8636,64+821,45-3292,77=-572,39 кДж
Вывод: При увеличении температуры на 152 К тепловой эффект реакции изменился на 6,17 кДж, реакция осталась экзотермической.
Расчет теплового эффекта реакции в изохорном процессе в стандартных условиях(DU):
∆Н=∆U+p∆V ; ∆U=∆H-p∆V
p∆V=∆nRT
∆U=∆H-∆nRT
∆n=∆∆= 0 – 3 = -3; ∆n = -3
R=8,314 Дж/моль*К
∆U(298)=-578,56-(-3)*0,008314*298=-571,13 кДж
Вывод: В изохорно-изотермическом процессе, при стандартных условиях реакция протекает с выделением тепла, т.е. процесс экзотермический.
Расчет теплового эффекта реакции в изохорном процессе при заданной температуре (DU):
∆U(450)=-572,39-(-3)*0,008314*450=-561,17 кДж
Вывод: При увеличении температуры на 152 К тепловой эффект данной реакции в изохорно-изотермическом процессе уменьшился на 9,96 кДж, реакция идет с выделением тепла.
1.2 Определение направления протекания химического процесса
Определение направления протекания реакции в изолированной системе (DS):
а) в стандартных условиях:
∆(298) =(298- ((298+ 3*(298)
∆(298) =239,2-(50,92+3*256,69)=-581,79 Дж
Вывод: При взаимодействии оксида алюминия с оксидом серы (VI) в изолированной системе получилось, что ∆Sб) при заданной температуре:
∆с=0, т.к. все вещества неорганические
∆(T)=∆(450)+
∆(450)=-581,79+56,82+14,45*1*T-29,05*1/)dT/T= -581,79+56,82+14,45*1-29,05*1= -581,79+56,82*ln450/298+14,45*1(450-298)- 29,05*1*1/2*((45-29/29*45)=-581,79+23,42+2,196-9,15=-565,32 Дж
Вывод: При увеличении температуры на 152 К энтропия увеличилась на 16,466 Дж, но осталась отрицательной. В изолированной системе процесс невозможен. Расчет изобарно-изотермического потенциала (DG):
а) в стандартных условиях
∆(298) =(298- ((298+ 3*(298)
∆(298) =-3100,87-(-1582,27+3*(-371,17))=-405,13 кДж/моль
Вывод: При взаимодействии оксида алюминия с оксидом серы (VI) в стандартных условиях ∆G
∆(298) = ∆Н(298)-Т∆(298)
∆(298) = -578560-298*(-581,79)=-405,19 кДж
% ош.=((-405,13+405,19)/(-405,13))*100=0,01% ,
т.к процент ошибки очень мал, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.
Вывод: В закрытой системе изобарно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно, т.к. ∆Gб) при заданной температуре
∆(450) = ∆Н(450)-450*∆(450)
∆(450) = -572390-450*(-565,32)=-317,996 кДж
При увеличении температуры на 152 К, энергия Гиббса увеличилась на 87,194 кДж, отсюда следует, что чем больше температура, тем больше энергия Гиббса. В закрытой системе изобарно-изотермический процесс остался самопроизвольным, т.к. ∆GРасчет изохорно-изотермического потенциала (DF):
а) в стандартных условиях
1 способ:
∆F = ∆U-T∆S
∆F(298)=-571130-298*(-581,79)=-397,76 кДж
2 способ:
∆F(298)=∆G-∆nRT
∆F(298)=-405,13-(-3)*298*0,008314=-397,7 кДж
%ош.=((-397,76+397,7)/(-397,76))*100=0,02%,
т.к процент ошибки очень мал, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.
Вывод: В закрытой системе при стандартных условиях изохорно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно, т.к. ∆Fб) при заданной температуре
1 способ:
∆F(450)= -561170-450*(-565,32)=-306,78 кДж
2 способ:
∆F(450)=-317,996-(-3)*450*0,008314=-306,78 кДж
%ош.=((-306,78-306,78)/(-306,78))*100=0%,
т.к процент ошибки равен нулю, следовательно, можно использовать для расчета оба метода.
Вывод: При увеличении температуры энергия Гельмгольца увеличилась. В закрытой системе изохорно-изотермический процесс будет протекать самопроизвольно.
Вывод:
Т, К
∆Н, кДж
∆U, кДж
∆G,кДж/моль
∆F, кДж
∆S, Дж
298
-578,56
-571,13
-405,19
-397,76
-581,79
450
-572,39
-561,17
-317,996
-306,78
-565,32
С увеличением температуры тепловые эффекты изобарно-изотермического и изохорно-изотермического процессов увеличились.
В данной работе ∆Н, ∆S, ∆G получились отрицательными, отсюда следует, что процесс протекает самопроизвольно, но при невысоких температурах.
При увеличении температуры энергия Гиббса и энергия Гельмгольца увеличились, значит система стремиться к равновесию (в условиях равновесия ∆F, ∆G достигают минимума).
2. Задание: Определить ΔH, ΔU, ΔS, ΔF, ΔG, реакции при постоянном давлении P=1.013 * 105 Па.
СdO(т) + H2SO4 (ж) = CdSO4 (т) + H2O (г)
Реакция протекает при температуре 511 градусов Цельсия .
Исходные данные
Вещест-во
ΔHf˚298
кДж/моль
S˚298
Дж/моль*К
ΔGf˚298
кДж/моль
Ср298
Дж/моль*К
Коэф. уравнения
Ср˚= f(T)
a
b * 103
c΄ * 10-5
H2O
-241,81
188,72
-228,61
33,61
30,00
10,71
0,33
CdO
-258,99
54,81
-229,33
43,64
48,24
6,38
-4,90
H2SO4
-813,99
156,90
-690,14
138,91
156,9
28,3
-23,46
Cd SO4
-934,41
123,05
-828,88
99,62
77,32
77,40
-
2.1 Расчёт теплового эффекта реакции
Расчёт теплового эффекта реакции в изобарном процессе в стандартных условиях
ΔНr˚ (298) = (ΔНf˚ (298) CdSO4 + ΔНf˚ (298) H2O) – (ΔНf˚ (298) CdO + ΔНf˚ (298) H2SO4)
ΔНr˚ (298) = (-934,41 – 241,81) – (-258,99 – 813,99) = -103,24 кДж.
Вывод: При реакции в стандартных условиях ,произошло выделение тепла в количестве 103,24 кДж как следствие реакция является экзотермической.
Расчёт теплового эффекта реакции в изобарном процессе при заданной температуре
ΔH(T) = ΔНr˚ (298) + ;
Δa = ( Δa CdSO4+ Δa H2O) - ( Δa CdO+ Δa H2SO4)
Δa = (77,32+30,00) – (48,94+156,90) = -97,82 ;
Δb = (Δb CdSO4+ Δb H2O) - (Δb CdO+ Δb H2SO4)
Δb = (77,40+10,71) – (6,38+28,30) = 53,43 * 10-3
Δc΄ =( Δc΄CdSO4+ Δc΄H2O) - (Δc΄CdO+ Δc΄H2SO4)
Δc΄ = (0 + 0.33) – (-4,90-23,46) = 28,69 * 105
Δc = 0, т.к. все вещества неорганические.
ΔH(511) = -103,24 * 103 + =
= -103,24 * 103 + (-97,82) * (511-298) + * (5112 – 2982) + -103240 – 20835,66 + 4603,45 + 4050,80 = -115,42 kДж.
Вывод: Увеличение температуры привело к увеличению количества теплоты выделившегося в следствии реакции.
Расчёт теплового эффекта реакции в изохорном процессе в стандартных условиях
ΔU = ΔН – ΔnRT
Δn = Δnкон. – Δnнач
Δn=1-0=1
Газовая постоянная R = 8.314 Дж/моль*К
ΔU(298)= ΔНr˚ (298) –Δn*R*T
ΔU(298) = -103,24 * 103 -1 * 8,314 * 298 = -103240 – 2477,57 = -105,72 кДж.
Вывод: Внутренняя энергия реакции в изохорном процессе составила 100,76 килоджоуля.
Расчёт теплового эффекта реакции в изохорном процессе при заданной температуре
ΔU(511)= ΔНr˚ (511) –Δn*R*T
ΔU(511) = -115,42 * 103 - 1 * 8,314 * 511 = -115420 – 4248,45 = - 119,67 кДж.
Вывод: Как и в изобарном процессе увеличение температуры приводит к увеличению внутренней энергии реакции на 18,91 кДж.
2.2 Определение направления протекания химического процесса
Определение направления протекания данной реакции в изолированной системе
Определение направления протекания реакции в стандартных условиях
ΔS˚ (298) = (S (298) Cd SO4 + S (298) H2O) – (S(298) Cd O + S (298) H2SO4)
ΔS˚ (298) = (123,05+188,72)-( 54,81+156,90)= 100,06
Вывод: Так как энтропия S больше ноля 100,06>0 то процесс реакции в изолированной системе протекает самопроизвольно без внешнего воздействия. Определение направления протекания реакции при заданной температуре.
ΔS(T) = ΔS˚ (298) + ;
ΔS (511) = 100,06 + = 100,06 – 97,82+ 53,43 * 10-3 + 28,69 * 105 = 100,06 – 97,82 + 53,43 * 10-3 * (511-298) + * = 121,66
Вывод: Изменение температуры привело к увеличению энтропии по сравнению с процессом при стандартных условиях . Следовательно повышение температуры ведёт к увеличению неупорядоченности и увеличению количества соударений молекул при реакции.
Определение направления протекания химического процесса в закрытой системе
Расчёт изобарно – изотермического потенциала в стандартных условиях
ΔGr˚ (298) = (G (298) Cd SO4 + G (298) H2O) – (G (298) Cd O + G(298) H2SO4)
ΔGr˚ (298)= (-823,88 – 228.61) – (-229,33 – 690.14) = -133,02 кДж/моль.
Вывод: Изобарно – изотермический потенциал показывает что процесс в закрытой системе идёт самопроизвольно ΔGr˚ Произведем расчет изобарно – изотермического потенциала по другой формуле:
ΔGr˚ (298) = ΔНr˚ (298) - Т* ΔS˚ (298)
ΔGr˚ (298) = -103,24 * 103 – 298 * 100,06 = -133,06 кДж/моль.
Найдем процент ошибки:
% ошибки =
Расчет можно производить любым способом, т.к. процент ошибки не существенен. Расчёт изобарно – изотермического потенциала при заданной температуре
ΔGr˚ (511) = ΔНr˚ (511) - Т* ΔS˚ (511)
ΔGr˚ (511) = -119,46 * 103 – 511 * 121,66 = -181,63 кДж/моль.
Вывод: Увеличение температуры никак не повлияло на процесс реакции в закрытой системе, она по прежнему идёт самопроизвольно ΔGr˚ ΔF(298) = ΔU(298) – T* ΔS˚ (298)
ΔF(298) = -105,72 * 103 – 298 * 100,06 = -135,53 кДж.
Вывод: Изохорно – изотермический потенциал показывает что процесс в закрытой системе идёт самопроизвольно ΔF Расчёт изохорно – изотермического потенциала при заданной температуре
ΔF(511) = ΔU(511) – T* ΔS˚ (511)
ΔF(511) = - 123,70 * 103 – 511 *121,66 = -185,87кДж.
Вывод: Изменение температуры привело к уменьшению потенциала по сравнению с процессом при стандартных условиях, а это означает что глубина реакции в закрытой системе увеличилась ΔF 0.
Вывод
Рассмотренная реакция оксида кадмия и серной кислоты идёт самопроизвольно на это указывают все характеристики реакции, а рассмотренное увеличение температуры реакции её ничуть не замедляет. Всё это позволяет сделать вывод о том что увеличение температуры реакции позволяет увеличить её глубину и полноту. При этом реакция останется самопроизвольной.
T, K
ΔH, кДж
ΔU, кДж
ΔS,
ΔG, кДж/моль
ΔF, кДж
298
-103,24
-105,72
100,06
-133,02
-135,53
511
-115,42
-119,67
121,66
-181,63
-185,87