Основы химической термодинамики

1. Теплота диссоциации CaCO₃ на CO₂ и СаО при 900⁰С составляет 178,3 кДж/моль, температурная зависимость теплоемкостей, Дж/моль∙К:

C_р(CaCO₃)=104,5+21,92∙10^-3Т-25,94∙10⁵Т^-2;

C_р(CaO)=49,63+4,52∙10^-3Т-6,95∙10⁵Т^-2;

C_р(CO₂)= 44,14+9,04∙10^-3Т-8,53∙10⁵Т^-2.

Вывести выражение для температурной зависимости теплового эффекта диссоциации CaCO₃ и значение теплового эффекта при 1000⁰С.

2. Указать, какая из двух реакций будет протекать самопроизвольно:

Fe(к) + Al₂О₃(к) = А1(к) + Fe₂О₃(к) или

А1(к) + Fe₂О₃(к) = Fe(к) + А1₂О₃(к)?

Термодинамические характеристики веществ приведены в таблице:

 

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	S0298, Дж/моль∙К
Fe(к)		27,15
Fe2О3(к)	-821,25	89,96
А1(к)		28,31
А12О3(к)	-1675	50,94

 

3. Определить тепловой эффект реакции образования Na₂O∙SiO₂ из Na₂O∙SiO₂ и Na₂O при 1300⁰С. Термодинамические данные приведены в таблице:

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	Эмпирические коэффициенты для температурной зависимости теплоемкости, Дж/моль∙К
а	b	c'
Na2O∙SiO2 SiO2(β-кварц) Na2O	-1518 -911,68 -430,6	130,38 48,98 64,48	40,19∙10-3 34,33∙10-3 22,61∙10-3	-27,09∙105 -11,3∙105 -

 

4. Определить количество теплоты, выделяющейся при образовании 1 кг FeS при 800К и атмосферном давлении по реакции

Fe+2H₂S=FeS+H₂,

если тепловой эффект реакции при 298К ΔH=-74,96 кДж/моль, стандартная энтальпия образования H₂S равна 20159,4 Дж/моль, температурная зависимость теплоемкостей веществ:

C_р(H₂S)=30,12+7,9∙10^-3Т;

C_р(FeS)=50,37+16,33∙10^-3Т;

C_р(H₂)= 20,93+13,8∙10^-3Т;

C_р(Fe)= 17,29+26,71∙10^-3Т.

 

5. Установить возможность протекания реакции

3CaO+2SiO₂=3CaO∙2SiO₂

при температуре 1000К на основании следующих термодинамических данных:

 

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	S0298, Дж/моль∙К	Эмпирические коэффициенты для температурной зависимости теплоемкости, Дж/моль∙К
a	b	c'
CaO(к) SiO2(β-кварц) 3CaO∙2SiO2(к)	-635,1 -911,69 -3826,9	39,7 41,87 211,01	49,63 46,98 208,7	4,52∙10-3 34,33∙10-3 36,09∙10-3	-5,95∙105 -11,3∙105 -42,5∙105

 

6. Тепловой эффект растворения 1 кмоль безводного сульфата лития 26,71∙10⁶ Дж, а для кристаллогидрата Li₂SO₅∙H₂O тепловой эффект составляет 14,31∙10⁶ Дж. Вычислить тепловой эффект образования Li₂SO₅∙H₂O из безводной соли и воды. Определить процентное содержание воды в частично выветренном кристаллогидрате сульфата лития, если тепловой эффект растворения 1 кг этой соли равен - 0,146∙10⁶ Дж. Частично выветренная соль состоит из смеси кристаллогидрата и безводной соли.

7. Тепловой эффект сгорания графита при 298К равен -393,8 кДж/моль, а для алмаза равен -395,7 кДж/моль. Удельные теплоемкости для этих веществ соответственно равны 0,7 и 0,5 Дж/г∙К. Рассчитать тепловой эффект перехода графита в алмаз при 273К.

8. В системе BeO – SiO₂ существует соединения 2BeO∙SiO₂. Образование его из оксидов можно представить реакцией:

2BeO + SiO₂(β-кварц)= 2BeO∙SiO₂

Определить энергию Гиббса реакции при 1300К по следующим данным:

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	S0298, Дж/моль∙К	Эмпирические коэффициенты для температурной зависимости теплоемкости, Дж/моль∙К
a	b	c'
ВеO(к) SiO2(β-кварц) 2ВеO∙SiO2(к)	-570,24 -911,69   -2160	14,24 41,87   64,48	35,4 46,98   103,12	16,75∙10-3 34,33∙10-3   23,7∙10-3	-14,4∙105 -11,3∙105   -58,9∙105

Полиморфные превращения SiO₂ не учитывать.

9. В системе BаO – SiO₂ существуют соединения BаO∙2SiO₂ и 2BаO∙3SiO₂. Образование этих соединений из оксидов можно представить согласно следующим реакциям:

1) BаO + 2SiO₂(β-кварц)= BаO∙2SiO₂

2) 2BаO + 3SiO₂(β-кварц)= 2BаO∙3SiO₂

Зависимость изобарно-изотермического потенциала (Дж/моль) от температуры описывается уравнениями:

1) ΔG= -104435+1,2Т-6,7∙10^-3Т²+10,33∙10^-3Т^-1

2) ΔG= -343766+76,1Т-2,7∙10^-3Т²+31,57∙10^-3Т^-1

Определите, какая из реакций предпочтительнее при температуре 1500К?

10. Для получения муллита были использованы реакции:

1) 3Al₂O₃+2SiO₂=3Al₂O₃∙2SiO₂

2) 3(Al₂O₃∙2SiO₂)=3Al₂O₃∙2SiO₂+4SiO₂

Установите, какая из этих реакций предпочтительнее при1500К, используя следующие термодинамические данные:

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	ΔG0298, кДж/моль	Эмпирические коэффициенты для температурной зависимости теплоемкости, Дж/моль∙К
a	b
SiO2 Al2O3 Al2O3∙2SiO2 3Al2O3∙2SiO2	-872,1 -1449,8 -3213,4 -7553,0	-834,6 -1545,2 -3012,0 -7165,8	56,5 105,5 90,7 383,6	1256∙10-3 18,5∙10-3 29,8∙10-3 103∙10-3

11. Зависимость теплоемкости алюминия от температуры выражается уравнением С_Р=20,6+12,4∙10^-3 Т (Дж/моль∙К). Температура плавления алюминия 931,5⁰С. Его теплота плавления 387 Дж/г. Вычислить:

1) количество теплоты, необходимое для расплавления 3 кг алюминия, находящегося при 25⁰С;

2) изменение энтропии в этом процессе.

12. Как изменяются основные свойства оксидов в ряду BeO – MgO – CaO – SrO – BaO? Ответ дайте, рассчитав изобарно-изотермический потенциал реакции

МеО_(к)+СО_{2 (г)}=МеСО_{3 (к)}. Энтальпии и энтропии образования веществ приводятся в таблице:

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	S0298, Дж/моль∙К	Вещество	ΔH0298, кДж/моль	S0298, Дж/моль∙К
BeO (к) MgO (к) CaO (к) SrO (к) BaO (к) CO2 (г)	-570,24 -601,24 -635,1 -590,4 -556,6 -393,51	14,24 26,92 39,7 54,4 70,3 213,6	BeСO3 (к) MgСO3 (к) CaСO3 (к) SrСO3 (к) BaСO3 (к)	-981,57 -1096,21 -1206,0 -1221,3 -1202,0	199,4 65,69 92,9 97,1 112,1

 

13. Определить изменение энтропии одного грамма β-кварца при нагревании его от 20 до 800⁰С. Средняя теплоемкость 1 моль β-кварца и 1 моль α-кварца выражаются соответственно уравнениями:

С_Р=46,98+34,3∙10^-3 Т (Дж/моль∙К);

С_Р=56,5+12,56∙10^-3 Т (Дж/моль∙К).

Температура и теплота перехода β-кварца в α-кварц соответственно равны 573⁰С и 12,98 Дж/г.

14. Выразить зависимость теплового эффекта реакции гашения извести от температуры. Вычислить тепловой эффект этой реакции при 400К и определить, насколько при этой температуре отличается тепловой эффект при постоянном давлении от теплового эффекта при постоянном объеме. Необходимые термодинамические величины приводятся в таблице:

 

Вещество	ΔH0298, кДж/моль	Эмпирические коэффициенты для температурной зависимости теплоемкости, Дж/моль∙К
a	b	c
CaO(к) H2O (ж) Ca(OH)2 (к)	-651,1 -286,0 -987,0	49,63 75,35 84,56	4,52∙10-3 - 43,7∙10-3	-6,95∙105 - -12,31∙105

 

15. Определить изменение энтальпии, внутренней энергии, энтропии, изобарно-изотермического потенциала и изохорно-изотермического потенциала реакции синтеза акриловой кислоты

С₂Н_{2 (г)}+СО _(г)+Н₂О _(ж)=СН₂СНСООН _(ж)

при температуре 250⁰С и давлении 101,3 кПа. Термодинамические величины приведены в таблице:

Вещество	ΔH0(сгор.)298, кДж/моль	S0298, Дж/моль∙К
С2Н2 (г) Н2О (ж) СО (г) СН2СНСООН (ж)	-1300,5 -283,18 -1371,18	200,96 69,99 160,1

 

16. Вычислить изменение энтальпии, внутренней энергии, энтропии, изобарно-изотермического и изохорно-изотермического потенциалов, работу расширения при переходе 2,7 кг воды в пар при температуре кипения 373К. Удельная теплота испарения равна 2,261 кДж/кг. Считать пар идеальным газом.