Вопрос школьника
Рассчитайте стандартную энтальпию и стандартную энтропию химической реакции. Определите в каком направлении при 298 °К (прямом или обратном) будет протекать реакция. Рассчитайте температуру, при которой равновероятны оба направления реакции.
Fe2O3 (к) + 3H2 = 2Fe(к) + 3H2O(г)
Ответ от учителя
Для расчета стандартной энтальпии и стандартной энтропии химической реакции необходимо использовать термодинамические данные для каждого вещества в реакции.
Стандартная энтальпия реакции (ΔH°) может быть рассчитана как разность между суммой стандартных энтальпий продуктов и реагентов, умноженной на коэффициенты стехиометрического уравнения:
ΔH° = Σ(ΔH° продуктов) — Σ(ΔH° реагентов)
Для данной реакции:
ΔH° = [2ΔH°(Fe) + 3ΔH°(H2O)] — [ΔH°(Fe2O3) + 3ΔH°(H2)]
Используя табличные значения стандартных энтальпий образования, получаем:
ΔH° = [2(0 кДж/моль) + 3(-241.8 кДж/моль)] — [-824.2 кДж/моль + 3(0 кДж/моль)] = -103.9 кДж/моль
Отрицательное значение ΔH° указывает на то, что реакция является экзотермической, то есть выделяет тепло.
Стандартная энтропия реакции (ΔS°) может быть рассчитана как разность между суммой стандартных энтропий продуктов и реагентов, умноженной на коэффициенты стехиометрического уравнения:
ΔS° = Σ(S° продуктов) — Σ(S° реагентов)
Для данной реакции:
ΔS° = [2S°(Fe) + 3S°(H2O)] — [S°(Fe2O3) + 3S°(H2)]
Используя табличные значения стандартных энтропий, получаем:
ΔS° = [2(27.3 Дж/моль·К) + 3(188.8 Дж/моль·К)] — [87.4 Дж/моль·К + 3(130.7 Дж/моль·К)] = 87.4 Дж/моль·К
Положительное значение ΔS° указывает на то, что реакция является энтропийно благоприятной, то есть происходит увеличение беспорядка системы.
Для определения направления реакции при 298 К необходимо рассчитать стандартную свободную энергию реакции (ΔG°) по формуле:
ΔG° = ΔH° — TΔS°
Где T — температура в Кельвинах.
Подставляя значения ΔH° и ΔS°, получаем:
ΔG° = -103.9 кДж/моль — 298 К × (87.4 Дж/моль·К / 1000) = -129.9 кДж/моль
Отрицательное значение ΔG° указывает на то, что реакция является термодинамически благоприятной и будет протекать в прямом направлении.
Для определения температуры, при которой равновероятны оба направления реакции, необходимо рассчитать температуру, при которой ΔG° = 0:
0 = -103.9 кДж/моль — T × (87.4 Дж/моль·К / 1000)
T = 1188 К
Таким образом, при температуре 1188 К оба направления реакции будут равновероятны.
