УРОВЕНЬ B

1. При растворении в воде 8,15 г безводного ZnSO₄ выделилось 3880 Дж, а при растворении в воде 35 г кристаллогидрата ZnSO₄·6Н₂О поглотилось 456 Дж. Определить стандартную энтальпию образования кристаллогидрата из безводной соли и воды.

Дано:

DrHo(298K,ZnSO4·6Н2О)

Процесс растворения безводного сульфата цинка в воде можно представить протекающим в две стадии:

1. ZnSO_4(к)+6Н₂О_(ж) = ZnSO₄·6Н₂О_(к), D_r.H^o(298K,4.3) (4.3)

2.ZnSO₄·6Н₂О_(к) + nH₂O_(ж)=ZnSO_4(р-р)+ (n+6)Н₂О_(ж),D_r.H^o(298K,4.4) (4.4)

где D_r.H^o(298K,4.3) - стандартная энтальпия образования кристаллогидрата из безводной соли и воды

D_r.H^o(298K,4.4) - стандартная энтальпия растворения кристаллогидрата

Суммарный процесс растворения безводной соли выразится сложением уравнений (4.3) и (4.4)

ZnSO_4(к)+6Н₂О_(ж) + ZnSO₄·6Н₂О_(к) + nH₂O_(ж)= ZnSO₄·6Н₂О_(к) + + ZnSO_4(р-р)+ (n+6)Н₂О_(ж)

После сокращения получаем

ZnSO_4(к) = ZnSO_4(р-р) D_r.H^o(298K,4.5) (4.5)

Согласно закона Гесса D_r.H^o(298K,4.5) = D_r.H^o(298K,4.3) + +D_r.H^o(298K,4.4)

Для нахождения стандартной энтальпии образования кристаллогидрата из безводной соли и воды (ур. 4.3) используем выражение

D_r.H^o(298K,4.3) = D_r.H^o(298K,4.5) - D_r.H^o(298K,4.4)

Таким образом, далее необходимо вычислить стандартные энтальпии растворения безводной соли (D_r.H^o(298K,4.5)) и кристаллогидрата (D_r.H^o(298K,4.4). Учитывая, что ∆Н = -Q_p, то если Q_p > 0, энергия выделяется (∆Н < 0), а если Q_p< 0, то энергия поглощается (∆Н > 0)

Известно (см. задачу 3 уровня А), что

, (кДж/моль) (4.6)

где Q_p – тепловой эффект растворения вещества, Дж;

М_В - молярная масса вещества, г/моль,

m_В – масса вещества, г.

1000 - пересчет Дж в кДж.

= 161,4 г/моль

= 161,4+6(2·1+16) = 269,4 г/моль

D_r.H^o(298K,4.5) ==

= кДж/моль

D_r.H^o(298K,4.4) =

==

= кДж/моль

Откуда D_r.H^o(298K,4.3) = -76,84 – 3,51 = -80,35 кДж/моль

2. Используя справочные данные по D_fH^o(298K, В) и S^o(298K, В), вычислить изменение стандартной энергии Гиббса и определить возможность и направление протекания реакции при низких и высоких температурах

Fe₂O_3(к) + 3Н_2(г) = 2Fe_(к) + 3Н₂O_(г)

РЕШЕНИЕ:

Возможность самопроизвольного протекания реакции, определяется знаком перед величиной изменения энергии Гиббса для данной реакции:

если Δ_rG°(298К) < 0, самопроизвольное протекание реакции при стандартных условиях возможно в прямом направлении;

если Δ_rG°(298К) > 0, то при стандартных условиях прямая реакция невозможна, а возможна обратная реакция._.

Значение Δ_rG°(298К) рассчитываем по формуле:

Δ_rG°(298К) = Δ_rН°(298К)·10³ - Т Δ_rS°(298К)

где Δ_rН°(298К) - изменение стандартной энтальпии реакции, кДж: Δ_rS°(298К) - изменение стандартной энтропии реакции, Дж/К:

10³ - пересчет кДж в Дж.

Значение Δ_rН°(298К) и Δ_rS°(298К) определяем согласно первому следствию из закона Гесса:

Δ_rН°(298К) = [2Δ_fН°(298К, Fe_(к)) + 3Δ_fН°(298К, Н₂О_(г))] –

- [Δ_fН°(298К, Fe₂O_3(к)) + 3Δ_fН°(298К, Н_2(г))];

Δ_rS°(298К) = [2S°(298К, Fe_(к)) + 3S°(298К, Н₂О_(г))] –

- [S°(298К, Fe₂O_3(к)) + 3S°(298К, Н_2(г))];

где Δ_fН°(298К, В) и S°(298К, В) - стандартные энтальпии образования и энтропии веществ, значения которых находим из таблицы стандартных термодинамических величин.

Δ_rН°(298К) = [2(0) + 3(-241,84)] - [(-822,2) + 3(0)] = 96,68 кДж

Δ_rS°(298К) = [2·27,15 + 3·188,74] - [87,4 + 3·130,5] = 141,62 Дж/К

тогда:

Δ_rG^о (Т) = 96680 - Т·141,62

Ответ: При низких температурах значение Δ_rG^о (Т) > 0, сле-довательно прямой процесс запрещен, а при высоких температурах значение Δ_rG^о (Т) < 0 и, следовательно, возможен прямой процесс.

3. Рассчитать теплотворную способность каменного угля, если известно, что в нем содержится 80% углерода, а в отходящих газах после сгорания угля содержится 14% СО₂ и 2% СО по объему.

Дано: ωC = 80% масс. ω= 14% об. ω= 2 % об.

Qкаменного угля - ?

РЕШЕНИЕ:

Теплотворной способностью топлива называется тепловой эффект, который соответствует сгоранию единицы массы (1 кг) для твердых и жидких видов топлив (Q_р, кДж/кг).

Приводим уравнения горения углерода

С_(к) + О_2(г) = СО_2(г) (4.8)

С_(к) + ½ О_2(г) = СО_(г) (4.9)

Из приведенных уравнений (ур. 4.8 и 4.9) следует, что масса сгоревшего углерода пропорционально объемам образовавшихся газов. Поскольку в каменном угле содержится 80% углерода, то в 1000 г каменного угля содержится 800 г углерода и в СО₂ превратилось (ур 4.8)

г углерода,

а в СО превратилось: г углерода (ур. 4.8)

Исходя из того, что тепловые эффекты реакций (4.8) и (4.9) есть стандартные энтальпии образования СО₂ и СО (величины табличные), но взятые с противоположным знаком, поскольку DН= - Q_р

D_fН^o (298 K, СО₂) = - 393,5 кДж/моль

и D_fН^o(298 K, СО) = - 110,5 кДж/моль

рассчитываем количество теплоты, выделившейся при сгорании 700 г углерода до СО₂ (ур. 4.8). Молярная масса углерода М_С = 12 г/моль.

При сгорании

12 г углерода выделяется 393,5 кДж

700 г углерода выделяется Q_р(4.8) кДж

откуда:

Q_р(4.7) кДж

Рассчитываем количество теплоты, выделившейся при сгорании 100 г углерода до СО (ур.4.9).

при сгорании

12 г углерода выделяется 110,5 кДж

100 г углерода выделяется Q_р(4.9) кДж

откуда:

Q_р(4.9) кДж

Следовательно теплотворная способность каменного угля Q_р = Q_р(4.8) + Q_р(4.9) = 22954 + 921 = 23875 кДж/кг