TERMODINAMICA CHIMICA - APLICATII NUMERICE REZOLVATE

T E R M O D I N A M I C A C H I M I C A

A P L I C A T I I N U M E R I C E R E Z O L V A T E

1.Se dau urmatoarele reactii chimice care au loc cu absorbtie sau cu degajare de caldura :

(1).H₂ (g) + 1/2 O₂ (g H₂ O ( l ) ; Δ H⁰₂₉₈ = - 68,3 kcal /mol H₂ O ( l ) ;

(2).1/2 N₂ ( g ) + 1/2 O₂ ( g ) → NO ( g ) ; Δ H⁰₂₉₈ = + 21,6 kcal /mol NO ;

(3).1/2 N₂ ( g ) + O₂ ( g ) → NO₂ ( g ) ; Δ H⁰₂₉₈ = + 8,1 kcal /mol NO₂ ;

(4).1/2 N₂ ( g ) + 3/2 H₂ ( g ) → NH₃ ( g ) ; Δ H⁰₂₉₈ = - 11,0 kcal /mol NH₃ ;

(5). 2NH₃ ( g ) → N₂ ( g ) + 3 H₂ ( g ) ; Δ H⁰₂₉₈ = + 11,0 kcal /mol NH₃ .

a.Sa se indice natura termica pentru fiecare reactie ( exoterma sau endoterma )

b.Sa se denumeasca efectul termic corespunzator.

c.Ce lege a termochimiei recunoasteti in cazurile 4. si 5. ?

d.Asezati substantele formate din reactiile date in ordinea scaderii stabilitatii lor in conditii standard.

Rezolvare :

a.(1) si (4) sunt reactii exoterme(Δ H⁰₂₉₈ < 0 ); (2) , (3) si (5) sunt reactii endoterme (Δ H⁰₂₉₈ > 0);

b.pentru reactiile(1),(2),(3)si(4) Δ H⁰₂₉₈ reprezinta caldura de formare standard ; pentru reactia (1) Δ H⁰₂₉₈ este si caldura de ardere in conditii standard ; pentru reactia (3) Δ H⁰₂₉₈

este si caldura de oxidare in conditii standard ; pentru reactia (5) Δ H⁰₂₉₈ este caldura de descompunere standard in elementele componente;

c.legea Lavoisier -Laplace : caldura de descompunere in elementele componente pentru o substanta este egala si de semn contrar cu caldura ei de formare;

d.substanta cea mai stabila este H₂ O ( l ) ,avand caldura de formare standard cea mai negativa ;ordinea scaderii stabilitatii va fi : H₂ O ( l ) > NH₃ ( g ) > NO₂ ( g ) > NO ( g ).

2.Se da ecuatia reactiei de ardere a metanului si efectul termic corespunzator :

CH₄ ( g ) + 2 O₂ ( g ) → CO₂ (g ) + 2 H₂ O ( l ) ; Δ H ⁰₂₉₈ = - 213 kcal

a.Sa se indice natura termica a reactiei ( exoterma sau endoterma ) si sa se denumeasca efectul termic corespunzator.

b.Sa se calculeze efectul termic al reactiei:1/2 CH₄(g) +O₂ (g)→1/2 CO₂ (g) +2H₂ O(l)

Rezolvare :

a.reactia este exoterma ; efectul termic corespunzator este chiar caldura de ardere a metanului:

Δ H ⁰_298,a = - 213 kcal /mol CH₄ ( g ) ;

b. Δ H ⁰₂₉₈ = - 213 kcal / mol CH ₄ ( g ) x 1/ 2 moli CH ₄ ( g ) = - 106,5 kcal .

3.Sa se calculeze cantitatea de caldura necesara descompunerii a 10 kg piatra de var(CaCO₃), in conditii standard.Se cunosc caldurile de formare in stare standard pentru CaO;CO₂ ;CaCO₃ egale ,respectiv, cu -635,1 ;-393,5 ;-1206 kJ /mol.Sa se precizeze si natura termica a reactiei.

Rezolvare :

t(⁰ C)

CaCO₃ (s ) → CaO (s ) + CO₂(g)

Δ H ⁰₂₉₈ ( r) =Δ H ⁰_{298 ,f ,CaO ( s )} + Δ H ⁰_{298 ,f ,CO2 ( g )} - Δ H ⁰_{298 ,f , CaCO3 ( s )}

Δ H ⁰₂₉₈ ( r) = -635,1 ( kJ /mol x 1 mol ) -393,5 (kJ /mol x 1 mol )- ( - 1206 (kJ /mol x 1 mol)) = 177,4 k J ;

M _CaCO3 = + 12 + 3 x 16 ) = 100 g /mol = 0,1 kg / mol ; in reactia scrisa mai sus se introduce 1 mol CaCO₃ , adica 0,1 kg CaCO₃ ;

Δ H ⁰₂₉₈ ( r) ( pentru 10 kg CaCO₃ ) = 177,4 k J / ( 0,1 kg CaCO₃ ) x 10 kg CaCO₃ =17740 k J

Reactia de descompunere a CaCO₃ este endoterma (Δ H ⁰₂₉₈ ( r) > 0 ) ;aceasta caracteristica se putea deduce si din reactia scrisa: pe sageata →era notata temperatura, t (⁰ C), ceea ce insemna ca reactia are loc la temperatura relativ ridicata .Reactia de descompunere la temperatura inalta la care ne referim se numeste calcinare.

4.Sa se calculeze caldurile de ardere in stare standard pentru combustibilii gazosi:metan,CH₄; propan, C₃ H₈, cunoscand caldurile de formare in stare standard pentru CH₄; C₃ H₈; CO₂ ; H₂ O ( l ) egale , respectiv , cu : -17,89 ; -24,82 ; - 94,05 ; - 68,3 kcal /mol . Sa se indice care din hidrocarburile mentionate este cel mai bun combustibil .

Rezolvare :

Se scriu ecuatiile reactiilor de ardere ,se calculeaza caldura de ardere standard pentru fiecare din combustibilii mentionati ,folosind legea lui Hess ,si se compara valorile obtinute ; din ardere rezulta apa lichida.

Pentru simplificarea scrierii ,se va nota caldura de ardere standardΔH ⁰_{298,a,combustibil(i)} cu Δ H _i

( r 1 ) : CH₄ ( g ) + 2 O₂ ( g ) → CO₂ ( g ) + 2 H₂ O ( l )

ΔH ₁= -94 + 2 ( -68,3 ) - ( - 17,89 ) = - 212,76 kcal

( r 2 ) : C ₃H ₈ ( g ) + 5 O₂ ( g ) → 3 CO₂ ( g ) + 4 H₂ O ( l )

ΔH ₂= 3 ( -94,05 ) + 4 ( -68,3 ) - ( - 24,82 ) = - 530,53 kcal

ΔH ₄= 4 94,05) + 5 ( -68,3 ) - ( -31,45 ) = - 686,25 kcal

Din valorile caldurii de ardere rezultate prin arderea a 1 mol din fiecare combustibil dat, rezulta ca propanul degaja o cantitate de caldura mai mare,fiind ,deci,un combustibil mai bun..

5.Care din urmatoarele doua reactii este spontana la 25 ⁰C ?

( r 1 ) : H₂O₂ ( l ) → H₂ (g ) + O₂ (g );

( r 2 ) : H₂O₂ ( l ) → H₂ O ( l ) + 1/2 O₂ (g ) .

Se cunosc valorile entalpiilor libere de formare in stare standard pentru H₂O₂ ( l ) si H₂ O( l ): ΔG⁰_{298 ,f ,H2O2 ( l )} = - 103,44 kJ / mol si ΔG⁰_{298 ,f ,H2O ( l )} = - 237,09 kJ / mol. Valorile entalpiilor libere de formare standard pentru H₂ ( g ) si O₂ ( g ) sunt zero.

Rezolvare :

Valorile entalpiei libere de reactie indicand sensul in care va decurge spontan reactia chimica, se calculeaza conform legii lui Hess generalizate :

ΔG⁰₂₉₈ ( r 1 ) = ΔG⁰_{298 ,f , H2 ( g )} + ΔG⁰_{298 ,f , O2 ( g )} - ΔG⁰_{298, f , H2O2 ( l )} = 0 + 0 - ( - 103,44 ) = +103,44 kJ > 0

ΔG⁰₂₉₈ (r 2)=ΔG⁰_{298 ,f , H2O ( l )} +1/2ΔG⁰_{298 ,f , O2 ( g )} - ΔG⁰_{298, f , H2O2 ( l )} = -237,09+ 1/2 x 0 -(-103,44 ) = - 133,65 kJ < 0

Descompunerea apei oxigenate , H₂O₂ ( l ) , va decurge spontan in conditii standard conform ecuatiei ( r 2 ) ,pentru care ΔG⁰₂₉₈ ( r 2 ) < 0 .

6.Este stabil Al in atmosfera de CO₂ ,in conditii standard ? Se cunosc valorile entalpiilor libere de formare in stare standard pentru CO₂(g) si Al₂O₃(s):ΔG⁰_{298 ,f ,CO2 (g )} = - 94,26 kcal / mol ; ΔG⁰_{298 ,f , Al2O3 ( s )} = -357,8 kcal /mol Valorile entalpiilor libere de formare standard pentru Al ( s ) si C ( s ) sunt zero.

Rezolvare :

Ecuatia reactiei care poate avea loc este:4 Al( s )+3 CO₂( g )→ 2Al₂ O₃ ( s ) + 3 C( s )

Valorile entalpiei libere de reactie indicand sensul in care va decurge spontan reactia chimica, se calculeaza conform legii lui Hess generalizate :

ΔG⁰₂₉₈(r) =2ΔG⁰_{298 ,f , Al2O3 ( s )} + 3 ΔG⁰_{298 ,f , C ( s )} - 4 ΔG⁰_{298, f , Al ( s )} -3 ΔG⁰_{298 ,f , CO2 ( g )} =

2 x ( -357,8 ) + 3 x 0 - 4 x 0 - 3 x ( - 94,26 ) = - 432,82 kcal < 0 reactia de mai sus are loc,ceea ce inseamna ca Al nu este stabil in atmosfera de CO₂(g) si se oxideaza la Al₂ O₃.

7. Sa se discute posibilitatea ca reactiile mentionate in continuare sa aiba loc in anumite conditii de temperatura / stabilitatea termodinamica a combinatiilor chimice formate fata de elementele componente ,cunoscand dependenta de temperatura a entalpiilor libere de reactie sub forma unor ecuatii:ΔG⁰ =f(T ) = a + b T

1. ΔG⁰ = 0 pentru T = 21470 / 26 = 826 K sau 553⁰C ΔG⁰ < 0 pentru T < 826 K sau 553⁰C

ΔG⁰ > 0 pentru T > 826 K sau 553⁰C

CH₄(g) este stabil/se poate forma din elementele componente la temperaturi sub 826 K ;este instabil/se descompune in elementele componente/nu se poate forma din elementele componente la temperaturi mai mari decat 826 K.

2. ΔG⁰ > 0 TOTDEAUNA C ₂H₄(g) nu va fi stabila fata de elementele componente la nici o temperatura/ nu se poate forma din elementele componente la nici o temperatura ; substanta respectiva exista obtinuta prin alte reactii.

3. ΔG⁰ < 0 TOTDEAUNA CO(g) este stabil fata de elementele componente la orice temperatura / se poate forma din elementele componente la orice temperatura / nu se va descompune in elementele componente.

4.ΔG⁰=0 pentru T= 28000/1 =14736 K sau 14463⁰CΔG⁰ < 0 pentru T < 14736 K

ΔG⁰ > 0 pentru T > 14736 K

SiC(s) este stabil fata de elementele componente la temperaturi sub 14736 K, adica la toate temperaturile folosite practic in tehnica/se poate forma din elementele componente

; la orice temperatura / nu se va descompune, practic, in elementele componente.