Question 16.3: Calcium sulfate, CaSO4, is used as a drying agent and sold u...

Calcium sulfate, CaSO_{4}, is used as a drying agent and sold under the trade name Drierite. For the reaction

CaSO_{4}(s)  →  Ca^{2+}(aq)  +  SO_{4}^{2-}(aq),

calculate

ⓐ ΔH°   ⓑ ΔS°   ⓒ ΔG° at 25°C

ANALYSIS
equation for the reaction (CaSO_{4}(s)  →  Ca^{2+}(aq)  +  SO_{4}^{2-}(aq)) Information given:
Table 8.3 (ΔH°_{f} values) Information implied:
ΔH° Asked for:

Table 8.3 Standard Enthalpies of Formation at 25°C (kJ/mol) of Compounds at 1 atm, Aqueous Ions at 1 M

Compounds
-365.6 NH_{4}NO_{3}(s) -241.8 H_{2}O(g) -795.8 CaCl_{2}(s) -100.4 AgBr(s)
+90.2 NO(g) -285.8 H_{2}O(l) -1206.9 CaCO_{3}(s) -127.1 AgCl(s)
+33.2 NO_{2}(g) -187.8 H_{2}O_{2}(l) -635.1 CaO(s) -61.8 Agl(s)
+9.2 N_{2}O_{4}(g) -20.6 H_{2}S(g) -986.1 Ca(OH)_{2}(s) -124.4 AgNO_{3}(s)
-411.2 NaCl(s) -814.0 H_{2}SO_{4}(l) -1434.1 CaSO_{4}(s) -31.0 Ag_{2}O(s)
-573.6 NaF(s) -90.8 HgO(s) -391.5 CdCl_{2}(s) -1675.7 Al_{2}O_{3}(s)
-425.6 NaOH(s) -393.8 KBr(s) -258.2 CdO(s) -858.6 BaCl_{2}(s)
-239.7 NiO(s) -436.7 KCl(s) -1139.7 Cr_{2}O_{3}(s) -1216.3 BaCO_{3}(s)
-278.7 PbBr_{2}(s) -397.7 KClO_{3}(s) -157.3 CuO(s) -553.5 BaO(s)
-359.4 PbCl_{2}(s) -432.8 KClO_{4}(s) -168.6 Cu_{2}O(s) -1473.2 BaSO_{4}(s)
-219.0 PbO(s) -494.6 KNO_{3}(s) -53.1 CuS(s) -135.4 CCl_{4}(l)
-277.4 PbO_{2}(s) -641.3 MgCl_{2}(s) -79.5 Cu_{2}S(s) -134.5 CHCl_{3}(l)
-287.0 PCl_{3}(g) -1095.8 MgCO_{3}(s) -771.4 CuSO_{4}(s) -74.8 CH_{4}(g)
-374.9 PCl_{5}(g) -601.7 MgO(s) -823.0 Fe(OH)_{3}(s) +226.7 C_{2}H_{2}(g)
-910.9 SiO_{2}(s) -924.5 Mg(OH)_{2}(s) -824.2 Fe_{2}O_{3}(s) +52.3 C_{2}H_{4}(g)
-580.7 SnO_{2}(s) -1284.9 MgSO_{4}(s) -1118.4 Fe_{3}O_{4}(s) -84.7 C_{2}H_{6}(g)
-296.8 SO_{2}(g) -385.2 MnO(s) -36.4  HBr(g) -103.8 C_{2}H_{8}(g)
-395.7 SO_{3}(g) -520.0 MnO_{2}(s) -92.3 HCl(g) -238.7 CH_{3}OH(l)
-208.0 ZnI_{2}(s) -46.1 NH_{3}(g) -271.1 HF(g) -277.7 C_{2}H_{5}OH(l)
-348.3 ZnO(s) +50.6 N_{2}H_{4}(l) +26.5 HI(g) -110.5 CO(g)
-206.0 ZnS(s) -314.4 NH_{4}Cl(s) -174.1 HNO_{3}(l) -393.5 CO_{2}(g)
Anions Cations
-1292.1 HPO_{4}^{2-}(aq) -121.6 Br^{-}(aq) +171.1 Hg^{2+}(aq) +105.6 Ag^{+}(aq)
-887.3 HSO_{4}^{-}(aq) -677.1 CO_{3}^{2-}(aq) -252.4  K^{+}(aq) -531.0 Al^{3+}(aq)
-55.2 I^{-}(aq) -167.2 Cl^{-}(aq) -466.8 Mg^{2+}(aq) -537.6 Ba^{2+}(aq)
-541.4 MnO_{4}^{-}(aq) -104.0 ClO_{3}^{-}(aq) -220.8 Mn^{2+}(aq) -542.8 Ca^{2+}(aq)
-104.6 NO_{2}^{-}(aq) -129.3 ClO_{4}^{-}(aq) -240.1 Na^{+}(aq) -75.9 Cd^{2+}(aq)
-205.0 NO_{3}^{-}(aq) -881.2 CrO_{4}^{2-}(aq) -132.5 NH_{4}^{+}(aq) +71.7 Cu^{+}(aq)
-230.0 OH^{-}(aq) -1490.3 Cr_{2}O_{7}^{2-}(aq) -54.0 Ni^{2+}(aq) +64.8 Cu^{2+}(aq)
-1277.4 PO_{4}^{3-}(aq) -332.6 F^{-}(aq) -1.7 Pb^{2+}(aq) -89.1 Fe^{2+}(aq)
+33.1 S^{2-}(aq) -692.0 HCO_{3}^{-}(aq) -8.8 Sn^{2+}(aq) -48.5 Fe^{3+}(aq)
-909.3 SO_{4}^{2-}(aq) -1296.3 H_{2}PO_{4}^{-}(aq) -153.9 Zn^{2+}(aq) 0.0 H^{+}(aq)

STRATEGY

1. Recall Equation 8.4 to determine ΔH°.
ΔH° = ∑ΔH°_{f }  products  – ∑ΔH°_{f}  reactants                            (8.4)
2. Obtain ΔH°_{f} values from Table 8.3 and substitute into Equation 8.4.

ANALYSIS
equation for the reaction (CaSO_{4}(s)  →  Ca^{2+}(aq)  +  SO_{4}^{2-}(aq)) Information given:
Table 16.1 (S° values) Information implied:
ΔS° Asked for:

Table 16.1 Standard Entropies at 25°C (J/mol·K) of Elements and Compounds at 1 atm, Aqueous Ions at 1 M

Elements
Ag(s)              42.6              Cl_{2}(g)               223.0              I_{2}(s)               116.1              O_{2}(g)                  205.0
Al(s)               28.3              Cr(s)                 23.8                 K(s)                 64.2               Pb(s)                    64.8
Ba(s)              62.8               Cu(s)                 33.2                 Mg(s)              32.7              P_{4}(s)                   164.4
Br_{2}(l)             152.2            F_{2}(g)                 202.7               Mn(s)              32.0              S(s)                      31.8
C(s)                5.7                 Fe(s)                  27.3                  N_{2}(g)               191.5            Si(s)                     18.8
Ca(s)              41.4              H_{2}(g)                130.6                Na(s)               51.2               Sn(s)                   51.6
Cd(s)             51.8                Hg(l)                 76.0                  Ni(s)                29.9              Zn(s)                    41.6
Compounds
AgBr(s)          107.1          CaCl_{2}(s)             104.6              H_{2}O(g)             188.7            NH_{4}NO_{3}(s)         151.1
AgCl(s)          96.2          CaCO_{3}(s)            92.9                H_{2}O(l)              69.9               NO(g)                   210.7
AgI(s)            115.5          CaO(s)                 39.8                H_{2}O_{2}(l)            109.6            NO_{2}(g)                 240.0
AgNO_{3}(s)     140.9        Ca(OH)_{2}(s)         83.4              H_{2}S(g)              205.7            N_{2}O_{4}(g)              304.2
Ag_{2}O(s)        121.3          CaSO_{4}(s)            106.7              H_{2}SO_{4}(l)          156.9             NaCl(s)                  72.1
Al_{2}O_{3}(s)       50.9          CdCl_{2}(s)            115.3                HgO(s)              70.3               NaF(s)                  51.5
BaCl_{2}(s)       123.7          CdO(s)                54.8                KBr(s)               95.9               NaOH(s)               64.5
BaCO_{3}(s)     112.1          Cr_{2}O_{3}(s)            81.2                KCl(s)                82.6               NiO(s)                  38.0
BaO(s)          70.4           CuO(s)                42.6                KClO_{3}(s)           143.1            PbBr_{2}(s)              136.0
BaSO_{4}(s)     132.2         Cu_{2}O(s)             93.1                KClO_{4}(s)           151.0            PbCl_{2}(s)              136.0
CCl_{4}(l)          216.4          CuS(s)               66.5                KNO_{3}(s)            133.0            PbO(s)                  66.5
CHCl_{3}(l)      201.7          Cu_{2}S(s)             120.9              MgCl_{2}(s)            89.6            PbO_{2}(s)                68.6
CH_{4}(g)        186.2         CuSO_{4}(s)           107.6              MgCO_{3}(s)          65.7              PCl_{3}(g)                311.7
C_{2}H_{2}(g)      200.8         Fe(OH)_{3}(s)       106.7              MgO(s)                26.9            PCl_{5}(g)                 364.5
C_{2}H_{4}(g)      219.5          Fe_{2}O_{3}(s)           87.4                Mg(OH)_{2}(s)       63.2              SiO_{2}(s)                41.8
C_{2}H_{6}(g)      229.5         Fe_{3}O_{4}(s)           146.4              MgSO_{4}(s)          91.6              SnO_{2}(s)               52.3
C_{3}H_{8}(g)      269.9         HBr(g)               198.6              MnO(s)              59.7              SO_{2}(g)                248.1
CH_{3}OH(l)   126.8         HCl(g)                186.8              MnO_{2}(s)            53.0            SO_{3}(g)                256.7
C_{2}H_{5}OH(l)  160.7        HF(g)                 173.7                NH_{3}(g)              192.3            ZnI_{2}(s)               161.1
CO(g)          197.6           HI(g)                 206.5              N_{2}H_{4}(l)              121.2            ZnO(s)               43.6
CO_{2}(g)        213.6         HNO_{3}(l)            155.6                NH_{4}Cl(s)            94.6              ZnS(s)                57.7
Cations                                                                              Anions
Ag^{+}(aq)         72.7         Hg^{2+}(aq)         -32.2               Br^{-}(aq)                82.4         HPO_{4}^{2-}(aq)         -33.5
Al^{3+}(aq)       -321.7      K^{+}(aq)             102.5               CO_{3}^{2-}(aq)         -56.9         HSO_{4}^{-}(aq)              131.8
Ba^{2+}(aq)       9.6          Mg^{2+}(aq)        -138.1             Cl^{-}(aq)                56.9             I^{-}(aq)                    111.3
Ca^{2+}(aq)      -53.1         Mn^{2+}(aq)        -73.6              ClO_{3}^{-}(aq)            162.3         MnO_{4}^{-}(aq)            191.2
Cd^{2+}(aq)       -73.2       Na^{+}(aq)            59.0             ClO_{4}^{-}(aq)             182.0         NO_{2}^{-}(aq)               123.0
Cu^{+}(aq)         40.6         NH_{4}^{+}(aq)         113.4           CrO_{4}^{2-}(aq)         50.2           NO_{3} ^{-}(aq)              146.4
Cu^{2+}(aq)       -99.6        Ni^{2+}(aq)         -128.9          Cr_{2}O_{7}^{2-}(aq)       261.9          OH^{-}(aq)                  -10.8
Fe^{2+}(aq)       -137.7       Pb^{2+}(aq)         10.5              F^{-}(aq)                    -13.8           PO_{4}^{3-}(aq)             -222
Fe^{3+}(aq)       -315.9       Sn^{2+}(aq)         -17.4            HCO_{3}^{-}(aq)            91.2          S^{2-}(aq)                   -14.6
H^{+}(aq)         0.0            Zn^{2+}(aq)         -112.1           H_{2}PO_{4}^{-}(aq)         90.4          SO_{4}^{2-}(aq)              20.1

STRATEGY

Obtain S° values from Table 16.1 and substitute into Equation 16.1.

ΔS° = Σ S°_{products}  – Σ S°_{reactants}          (16.1)

ANALYSIS
From part (a): ΔH°(-18.0 kJ)
From part (b): ΔS°(-139.7 J/K)
Information given:
ΔG° Asked for:

STRATEGY

1. Convert ΔS° into kJ and °C to K.
2. Substitute into the Gibbs-Helmholtz equation (Equation 16.2).

ΔG° = ΔH° – TΔS°          (16.2)

The blue check mark means that this solution has been answered and checked by an expert. This guarantees that the final answer is accurate.
Learn more on how we answer questions.

ΔH° = ΔH°_{f}Ca^{2+}(aq)  +  ΔH°_{f}SO_{4}^{2-}(aq)  –  ΔH°_{f}CaSO_{4}(aq)

= -542.8 kJ – 909.3 kJ – (-1434.1 kJ) = -18.0 kJ

ΔH°

ΔS° = S° H°_{f}Ca^{2+}(aq)  +  S°  SO_{4}^{2-}(aq)  –  S°  CaSO_{4}(s)

= -53.1 J/K + 20.1 J/K – 106.7 J/K = -139.7 J/K

ΔS°

ΔS° = -139.7 J/K = -0.1397 kJ/K; 25°C = 298 K 1. ΔS° in kJ; T in K
ΔG° = ΔH° – TΔS° = -18.0 kJ – 298 K(-0.1397 kJ/K) = 23.6 kJ 2. ΔG°

END POINT

ΔG° is positive, so this reaction at standard conditions
CaSO_{4}(s)  →  Ca^{2+}(aq,1  M)  +  SO_{4}^{2-}(aq,1  M)
should not be spontaneous. In other words, calcium sulfate should not dissolve in water to give a 1 M solution. This is indeed the case. The solubility of CaSO_{4} at 25°C is considerably less than 1 mol/L.

Related Answered Questions

Question: 16.6

Verified Answer:

ΔH° = 98.8 kJ; ΔS° = 0.1415 kJ/K ΔH°; ΔS° ΔG° = ...
Question: 16.8

Verified Answer:

ΔG° = ΔG°_{f}  Pb^{2+}(aq)  +  2ΔG°_{f}  Cl...