№ 16 Для системы 2NH3(г)↔ N2(г) + 3Н2(г) 1 Рассчитайте тепловой эффект и энтропию реакции

1. Рассчитаем тепловой эффект (ΔН°реакции ) и энтропию реакции
(ΔS°реакции).
Для вычисления теплового эффекта реакции воспользуемся следствием из закона Гесса:
тепловой эффект реакции (ΔН°реакции) равен сумме теплот образования ΔН°обр. продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции:
ΔН°реакц = Σ ΔН°обр.прод. – Σ ΔН°обр.исх в–в.
Для нашей реакции 2NH3(г)↔ N2(г) + 3Н2(г)
ΔН°реакц. = [ΔН°обр. N2(г) + 3ΔН°обр. Н2(г)] – 2 ΔН°обр. NH3(г)
Значения стандартных теплот образования веществ возьмем из справочных данных:
Стандартные теплоты образования простых веществ равны 0.
ΔН°обр. N2(г) = 0
ΔН°обр. Н2 (г) = 0
ΔН°обр. NH3(г) = – 46,2 кДж/моль
Подставляем численные значения:
ΔН°реакц. = [ΔН°обр. N2(г) + 3ΔН°обр. Н2(г)] – 2 ΔН°обр. NH3(г) =
= [ 0 + 3 ∙ 0] – 2 (- 46,2 кДж/моль) = 92,4 кДж

Вычислим стандартное изменение энтропии реакции △S0реакци.
Изменение энтропии химической реакции равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ.
△S0реакци = Σ S °прод. – Σ S °исх в–в.
Для нашей реакции 2NH3(г)↔ N2(г) + 3Н2(г)
△S0реакци = [S ° N2(г) + 3 S ° Н2(г)] – 2 ∙ S ° NH3(г)
Значения стандартных энтропий веществ возьмем из справочника:
S ° N2(г) = 191,5 Дж/моль К
S ° Н2(г) = 130,5 Дж/моль К
S ° NH3(г) = 192,6 Дж/моль К
Подставляем численные значения:
△S0реакци = [S ° N2(г) + 3 S ° Н2(г)] – 2 ∙ S ° NH3(г) = [191,5 + 3∙ 130,5] –
– 2 ∙ 192,6 = 583 – 385,2 = 197,8 Дж/ К = 0,198 кДж/К

Ответ. Тепловой эффект реакции ΔН°реакции = 92,4 кДж; энтропия реакции
△S0реакци = 197,8 Дж/ К = 0,198 кДж/К

2. Рассчитаем энергию Гиббса △G0 реакции по формуле:
△G0 реакции = △Н0реакции – Т△S0реакци
В стандартных условиях Т = 298 К
△G0 реакции = △Н0реакции – Т△S0реакци = 92,4 кДж – 298К ∙ 0,198 кДж/К =
= 33,4 кДж
При постоянстве температуры и давления химические реакции могут самопроизвольно протекать только в таком направлении, при котором энергия Гиббса системы уменьшается. Если △G0 реакции < 0, то реакция возможна в прямом направлении.
В нашем примере △G0 реакции = 33,4 кДж > 0, значит, при стандартных условиях ( давлении 1 атм и температуре 298 К) данная реакция протекать в прямом направлении не будет.
Ответ. △G0 реакции = 33,4 кДж, в стандартных условиях реакция не возможна.

3. Согласно закону действия масс, при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действия масс.
Скорость прямой реакции:
υ пр = k [NH3]2
k – константа скорости реакции, значение которой зависит от природы реагирующих веществ.
Скорость обратной реакции:
υ пр = k [N2][ Н2]3
Вычислим, во сколько раз увеличится скорость прямой реакции при увеличении концентрации аммиака в три раза:
υ пр = k [NH3]2
После увеличения концентрации аммиака в 3 раза, выражение скорости реакции примет вид:
υ *пр = k ( 3[NH3] )2 = 9 k [NH3]2
Значит, при увеличении концентрации аммиака:
υ *пр υ пр = 9 k[NH3]2 k [NH3]2 = 9 – скорость прямой реакции увеличится в 9 раз.

Ответ. При увеличении концентрации аммиака в три раза, скорость прямой реакции увеличится в 9 раз.

4. Запишем математическое выражение для константы равновесия данной системы.
Состояние химического равновесия наступает, когда в обратимой реакции скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми.
Константа равновесия – постоянная при данной температуре величина, выражающая соотношение между равновесными концентрациями продуктов реакции (числитель) и исходных веществ (знаменатель) , с учетом стехиометрических коэффициентов.
Для нашей реакции 2NH3(г)↔ N2(г) + 3Н2(г)
Кр = N2[H2]3[NH3]2 – выражение константы равновесия
Рассмотрим, куда сместится равновесие при изменении условий:
При изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации какого либо вещества), химическое равновесие нарушается, происходит смещение равновесия. Направление этого смещения подчиняется принципу Ле-Шателье:
Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказать какое-либо воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие будет ослаблено.
а) При понижении давления, согласно принципу Ле-Шателье, равновесие будет сдвигаться в сторону возрастания числа моль газов в реакции.
В нашей реакции слева 2 моль аммиака, а справа 4 моль (1 моль азота и 3 моль водорода), значит, при понижении давления, равновесие сместится в сторону увеличения общего числа молей газообразных веществ, т.е. вправо, в сторону прямой реакции.

б) Влияние температуры.
В нашем примере тепловой эффект реакции ΔН°реакции = 92,4 кДж > 0, реакция идет с поглощением тепла, эндотермическая.
Согласно принципу Ле-Шателье, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении эндотермической (с поглощением теплоты) реакции. Значит, увеличение температуры смещает равновесие также вправо, в сторону прямой реакции.

…