решение задач по химии (термодинамика)

Задание 1. Зависимость ЭДС от температуры для элемента, в котором протекает
реакция Zn + Hg2SO4 = ZnSO4 + 2Hg, выражается уравнением
Е = 1,4328 – 1,19  10–3 (Т – 288,15) – 7  10–6  (Т – 288,15)2, В.
Запишите схему элемента, уравнения электродных процессов и уравнение Нернста для
ЭДС цепи. Рассчитайте  r G ,  r S и  r H при 303,15 К. Какое количество теплоты
выделится (или поглотится) при обратимом и изотермическом протекании реакции в
элементе?
Решение:
1. В гальваническом элементе анодом становится электрод, имеющий меньший
электродный потенциал восстановления, а катодом – электрод с большим
электродным потенциалом восстановления. Цинк в электрохимическом ряду
напряжений стоит до водорода, значит, имеет меньший электродный потенциал
восстановления, чем водород. Следовательно, цинковый электрод в этом
гальваническом элементе будет анодом, а водородный электрод – катодом.
На аноде происходит процесс окисления, а на катоде – процесс восстановления.
Процессы окисления-восстановления на электродах:
Анод (-) Zn0 – 2e → Zn2+ | 1 – окисление на анод,
Катод (+) Hg2+ + 2e → 2H0 | 1 – восстановление на катоде.
Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение токообразующей
реакции, которая в ионном виде выражает происходящую в элементе реакцию.
Zn0 + 2Hg+ → Zn2+ + 2Hg0
Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Zn2+/Zn и E0Hg2+/Hg
E0Zn2+/Zn = -0,763 В
E0Hg2+/Hg = +0,850 В
Составим схему гальванического элемента:
(-) Zn0|ZnSO4 || Hg2SO4|Hg0 (+)
2. Энергия Гиббса этой реакции связана с ЭДС цепи уравнением:
 r G = –nFE,
где F- заряд моля вещества один фарадей = 96500 Кл/моль,
n - величина численно равна количеству электронов, принимающих участие в
электродной реакции (n = 2).
Е = 1,4328 – 0,00119*(303,15 – 288) – 7×10–6(303,15 – 288)2 = 1,4132 В
 r G = –2×96500×1,4132 = –272,75 кДж
3. Энтропия реакции при 303,15 К равна:
 E 
 r S  nF   = 2*96500*(-0,0019 - 2*7×10–6(303,15 – 288) =
 T  p
= – 407,64 Дж/моль*К.
4. Энтальпия реакции при 303,15 К составит:
 r H =  r G + Т r S = - 272750 - 303,15  407,64 = - 396326 Дж/моль.
Q обр = T  r S = 303,15  (–407,64) = – 123576 Дж/моль.
Знак «–» означает, что теплота выделяется в элементе, и в условиях тепловой
изоляции такой элемент работал бы с нагреванием.
Задание 2. Температурная зависимость ЭДС цепи Ag, AgCl│KCl│Cl2, Pt
выражается уравнением
Е = 0,977+ 5,7*10–4 *(623 – Т) – 4,8*10–7*(623 – Т)2, В.
Запишите уравнения электродных реакций и суммарной реакции, протекающей в
гальваническом элементе. Для суммарной реакции определите  r G ,  r S и  r H при
25С. Какое количество теплоты выделяется или поглощается при обратимом и
изотермическом протекании реакции в элементе в этих условиях?
Решение:
1. На электроде гальванического элемента соответственно протекает реакция:
2AgCl + 2е = 2Ag+ + 2Cl–.
Суммарная потенциалобразуюшая реакция в цепи:
2Ag + Cl2 → 2AgCl
2. Энергия Гиббса этой реакции связана с ЭДС цепи уравнением:
 r G = –nFE,
где F- заряд моля вещества один фарадей = 96500 Кл/моль,
n - величина численно равна количеству электронов, принимающих участие в
электродной реакции (n = 2).
T = 273 + 250 = 298 K
Е = 0,977+ 5,7*10–4 *(623 – 298) – 4,8*10–7*(623 – 298)2= 1,113 В
 r G = –2×96500×1,113 = –214,81 кДж
3. Энтропия реакции при 298 К равна:
 E 
 r S  nF   = 2*96500*(- 0,0019 - 2*4,8×10–7(623-298) =
 T  p
= – 426,916 Дж/моль*К.
4. Энтальпия реакции при 298 К составит:
 r H =  r G + Т r S = - 214810 - 298  426,916 = - 342031 Дж/моль.
Q обр = T  r S = 298  (–426,916) = – 127221 Дж/моль.
Знак «–» означает, что теплота выделяется в элементе, и в условиях тепловой
изоляции такой элемент работал бы с нагреванием.
Задание 3. ЭДС цепи Cd(ж)│CdCl2(расплав)│Cl2, Pt
при 600C равна 1,3415 В.
 E 
 = –0,63*10–3 В/K. Запишите
 T  p
уравнение потенциалобразующей реакции, протекающей в цепи, и определите для нее
 r G ,  r S и  r H при 600C.
Решение:
1. На электроде гальванического элемента соответственно протекает реакция:
катод: Cd2+ + 2ē = Cd0
анод: 2Cl- - 2ē = Cl2
Суммарная потенциалобразуюшая реакция в цепи:
CdCl2 → Cd2+ + 2ClТемпературный коэффициент ЭДС составляет 
 E 
  0, то работа, совершаемая системой, меньше изменения энтальпии
2. Так как 
 T  p
и в изотермическом режиме часть тепловой энергии не превращается в работу, а
рассеивается в виде теплоты. В условиях тепловой изоляции элемент будет
нагреваться. Это наблюдается при работе большинства гальванических элементов.
3. Энергия Гиббса этой реакции связана с ЭДС цепи уравнением:
 r G = –nFE,
где F- заряд моля вещества один фарадей = 96500 Кл/моль,
n - величина численно равна количеству электронов, принимающих участие в
электродной реакции (n = 2).
T = 273 + 6000 = 873 K
Е = 1,3415 В
 r G = –2×96500×1,3415 = –258,91 кДж
3. Энтропия реакции равна:
 E 
 r S  nF   = 2*96500*(–0,63*10–3) = – 121,59 Дж/моль*К.
 T  p
4. Энтальпия реакции при 873 К составит:
 r H =  r G + Т r S = - 258910 – 873* (- 121,59) = - 365058 Дж/моль.
 E 
  0, то химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе,
Так как 
 T  p
является экзотермической (  r H  0).
Q обр = T  r S = 873  (–121,59) = – 106148 Дж/моль.
Знак «–» означает, что теплота выделяется в элементе, и в условиях тепловой
изоляции такой элемент работал бы с нагреванием.