Решение задачи по химии: 4NO2 + 6H2O -> 4NH3 + 5O2 (Вариант 9)

Задача №1. Вариант №9 Для химической реакции при температуре \(T\) и стандартном давлении вычислить: а) Тепловой эффект реакции по теплотам образования веществ и сделать вывод об экзотермичности реакции. б) Рассчитать изменение энергии Гиббса и сделать вывод о возможности самопроизвольного протекания реакции в открытых при заданных условиях. Стандартные теплоты образования и зависимости теплоемкостей у участников реакции от температуры взять из справочной таблицы. Вариант 9: Химическая реакция: \(4NO_2 + 6H_2O \rightarrow 4NH_3 + 5O_2\), \(T = 298\) К. Решение: Для решения задачи нам потребуются стандартные теплоты образования (\(\Delta H_f^0\)) и стандартные энтропии (\(S^0\)) веществ, участвующих в реакции, при температуре 298 К. Эти данные берутся из справочных таблиц. Справочные данные при \(T = 298\) К: * Для \(NO_2\) (газ): \(\Delta H_f^0 = +33.18\) кДж/моль, \(S^0 = 240.06\) Дж/(моль·К) * Для \(H_2O\) (газ): \(\Delta H_f^0 = -241.82\) кДж/моль, \(S^0 = 188.83\) Дж/(моль·К) * Для \(NH_3\) (газ): \(\Delta H_f^0 = -46.11\) кДж/моль, \(S^0 = 192.45\) Дж/(моль·К) * Для \(O_2\) (газ): \(\Delta H_f^0 = 0\) кДж/моль (элемент в стандартном состоянии), \(S^0 = 205.14\) Дж/(моль·К) а) Расчет теплового эффекта реакции (\(\Delta H_{реакции}^0\)) Тепловой эффект реакции рассчитывается по закону Гесса как сумма стандартных теплот образования продуктов реакции минус сумма стандартных теплот образования исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов: \[\Delta H_{реакции}^0 = \sum n_{продукты} \cdot \Delta H_f^0(продукты) - \sum n_{исходные} \cdot \Delta H_f^0(исходные)\] Для реакции \(4NO_2 + 6H_2O \rightarrow 4NH_3 + 5O_2\): \[\Delta H_{реакции}^0 = [4 \cdot \Delta H_f^0(NH_3) + 5 \cdot \Delta H_f^0(O_2)] - [4 \cdot \Delta H_f^0(NO_2) + 6 \cdot \Delta H_f^0(H_2O)]\] Подставляем значения: \[\Delta H_{реакции}^0 = [4 \cdot (-46.11) + 5 \cdot (0)] - [4 \cdot (+33.18) + 6 \cdot (-241.82)]\] \[\Delta H_{реакции}^0 = [-184.44 + 0] - [132.72 - 1450.92]\] \[\Delta H_{реакции}^0 = -184.44 - [-1318.2]\] \[\Delta H_{реакции}^0 = -184.44 + 1318.2\] \[\Delta H_{реакции}^0 = +1133.76 \text{ кДж}\] Вывод об экзотермичности реакции: Поскольку \(\Delta H_{реакции}^0 > 0\), реакция является эндотермической. Это означает, что для протекания реакции требуется поглощение теплоты из окружающей среды. б) Расчет изменения энергии Гиббса (\(\Delta G_{реакции}^0\)) и вывод о возможности самопроизвольного протекания реакции. Изменение энергии Гиббса можно рассчитать по формуле: \[\Delta G_{реакции}^0 = \Delta H_{реакции}^0 - T \cdot \Delta S_{реакции}^0\] Сначала рассчитаем изменение стандартной энтропии реакции (\(\Delta S_{реакции}^0\)): \[\Delta S_{реакции}^0 = \sum n_{продукты} \cdot S^0(продукты) - \sum n_{исходные} \cdot S^0(исходные)\] Для реакции \(4NO_2 + 6H_2O \rightarrow 4NH_3 + 5O_2\): \[\Delta S_{реакции}^0 = [4 \cdot S^0(NH_3) + 5 \cdot S^0(O_2)] - [4 \cdot S^0(NO_2) + 6 \cdot S^0(H_2O)]\] Подставляем значения: \[\Delta S_{реакции}^0 = [4 \cdot (192.45) + 5 \cdot (205.14)] - [4 \cdot (240.06) + 6 \cdot (188.83)]\] \[\Delta S_{реакции}^0 = [769.8 + 1025.7] - [960.24 + 1132.98]\] \[\Delta S_{реакции}^0 = 1795.5 - 2093.22\] \[\Delta S_{реакции}^0 = -297.72 \text{ Дж/К}\] Переведем \(\Delta S_{реакции}^0\) в кДж/К: \[\Delta S_{реакции}^0 = -297.72 \text{ Дж/К} = -0.29772 \text{ кДж/К}\] Теперь рассчитаем \(\Delta G_{реакции}^0\) при \(T = 298\) К: \[\Delta G_{реакции}^0 = \Delta H_{реакции}^0 - T \cdot \Delta S_{реакции}^0\] \[\Delta G_{реакции}^0 = 1133.76 \text{ кДж} - 298 \text{ К} \cdot (-0.29772 \text{ кДж/К})\] \[\Delta G_{реакции}^0 = 1133.76 + 88.71\] \[\Delta G_{реакции}^0 = +1222.47 \text{ кДж}\] Вывод о возможности самопроизвольного протекания реакции: Поскольку \(\Delta G_{реакции}^0 > 0\), реакция не является самопроизвольной при температуре 298 К и стандартном давлении. Для протекания этой реакции требуется затрата энергии извне. Ответы: а) Тепловой эффект реакции \(\Delta H_{реакции}^0 = +1133.76\) кДж. Реакция является эндотермической. б) Изменение энергии Гиббса \(\Delta G_{реакции}^0 = +1222.47\) кДж. Реакция не является самопроизвольной при заданных условиях.