Термохімія та елементи хімічної термодинаміки
Розв’язання задач із розділу "Термохімія" потребує засвоєння першого закону термодинаміки (для ізольованої системи DU = 0; для закритої системи
Q = U + A) і закону Гесса та його висновків.
Тепловий ефект реакцій, які відбуваються при сталому тиску або при сталому об’ємі, а також при сталій температурі, не залежить від числа проміжних стадій, а визначається лише початковим і кінцевим станами системи.
Рівняння реакцій, в яких указуються агрегатний стан чи кристалічна модифікація хімічних сполук, а також числове значення теплових ефектів, називаються термохімічними. Якщо теплота в реакції виділяється (реакція екзотермічна), то DН < 0; якщо теплота поглинається (реакція ендотермічна), то DН > 0.
Теплові ефекти реакцій можна розрахувати, використовуючи наступні висновки.
1. Тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумою теплот утворення
продуктів реакції та сумою теплот утворення вихідних речовин:
DН0реак = S(DН0утв)прод – S(DН0утв)вих.реч.
2. Тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумою теплот згоряння
вихідних речовин і сумою теплот згоряння продуктів реакції:
DH0реак = S(DH0згор)вих.реч - S(DH0згор)прод.
Значення термодинамічних функцій деяких речовин надаються в табл.3Д.
Приклад 1. Реакції згоряння етану відповідає термохімічне рівняння
С2Н6(г.) + 3,5О2(г.) ® 2СО2(г.) + 3Н2О(р.); DН0реак = -1559,9 кДж.
Визначити теплоту утворення етану, якщо відома теплота утворення СО2(г.) і Н2О(р.) (-393,5 кДж/моль, -285,84 кДж/моль).
Розв’язання
DН0реак = S(DН0утв)прод - S(DН0утв)вих.реч =
= 2DН0(СО2) + 3DН0(Н2О) – DН0(С2Н6) – 3,5DН0(О2).
О2 – проста речовина, тому DН0(О2) = 0.
Тоді DН0(С2Н6) = 2DН0(СО2) + 3DН0(Н2О) - DН0реак = 2(-393,5) +
+3(-285,8) + 1559,9 = -84,64 кДж/моль.
Відповідь: теплота утворення етану дорівнює -84,64 кДж/моль.
Термодинамічні функції DH0, S0 (ентропія), DG0 (зміна енергії Гіббса), DF0 (зміна енергії Гельмгольца) використовуються при розв’язуванні питань про термодинамічну можливість перебігу певних процесів, визначення теплот і температур фазових перетворень, умов початку процесів.
Приклад 2. Розрахувати DG0реак системи PbO2(тв.) + Pb(тв.) ® 2PbO(тв.) на підставі значень DН0реак і DS0реак реагуючих речовин і визначити можливість цієї реакції за стандартних умов.
Розв’язання
Використовуємо табличні дані теплот утворення та ентропій відповідних речовин.
DН0реак = S(DН0утв)прод - S(DН0утв)вих.реч;
DS0реак = S(S0утв)прод - S(S0утв)вих.реч;
DН0реак = 2DН0(PbO) - DН0(PbO2);
DН0реак = 2(-219,3) − (−276,6) = -162 кДж/моль;
DS0реак = 2S0(PbO) - S0(PbO2) - S0(Pb);
DS0реак = 2·66,1 - 76,4 - 64,8 = -9 Дж/(моль∙К) = -0,009 кДж/(моль∙К);
DG0реак = DН0реак - ТDS0реак;
DG0реак = -162 - 298(-0,009) = -162 + 298∙0,009 = -159,32 кДж/моль;
DG0реак < 0, тому реакція при Т = 298 К можлива.
Відповідь: DG0реак = -159,32 кДж/моль; за стандартних умов ця реакція можлива.
Задачі
101. Що називається теплотою утворення (ентальпією) хімічної сполуки? Розрахувати, який об’єм азоту, приведений до нормальних умов, взаємодіяв з воднем при утворенні амоніаку, якщо при цьому виділилося 18,45 кДж теплоти.
102. Визначити теплоту, що виділяється при нейтралізації 100 л амоніаку (н.у.) сульфатною кислотою 2NH3(г.) + H2SO4(розч.) ® (NH4)2SO4(кр.).
103. Використовуючи теплоти утворення води і водяної пари, розрахувати теплоту випаровування води.
104. При згорянні газоподібного метану СН4 утворюються СО2 і Н2О(р.).
Написати термохімічне рівняння цієї реакції, розрахувати її тепловий ефект.
105. Скільки теплоти виділяється при спалюванні 20 л етену, який взято за н.у., якщо теплоти утворення СО2(г.), Н2О(р.) і С2Н4(г.) дорівнюють відповідно -393,5; -286,2 та 57,12 кДж/моль?
106. Тепловий ефект реакції згоряння моля рідкого бензену з утворенням
пари води і карбон (ІV) оксиду дорівнює –3135,58 кДж. Написати термохімічне рівняння цієї реакції, розрахувати теплоту утворення С6Н6(р.).
107. При взаємодії газоподібних метану і гідроген сульфіду утворюються CS2(г.) та Н2. Написати термохімічне рівняння цієї реакції, розрахувати її
тепловий ефект.
108. Теплота утворення карбон (ІV) оксиду -393,5 кДж/моль, а карбон (ІІ) оксиду -110 кДж∕моль. Скільки теплоти виділяється при згорянні 112 л СО?
109. Розрахувати теплоту утворення н-бутану по енергії зв¢язку за реакцією
4С (графіт) + 5Н2(г.) ® С4Н10(г.), якщо Езв (С–С) = 525,0 кДж/моль,
Езв (Н–Н) = 435,9 кДж/моль, Езв (С–Н) = 411,3 кДж/моль.
110. Кристалічний амоній хлорид утворюється при взаємодії газоподібних NH3 і HCl. Написати термохімічне рівняння цієї реакції, розрахувати її тепловий ефект. Скільки теплоти виділиться, якщо в реакції було використано 10 л амоніаку в перерахунку на нормальні умови?
111. Відновлення Fe2O3 воднем відбувається згідно з рівнянням
Fe2O3(кр.) + 3H2(г.) ® 2Fe(кр.) + 3H2O(г.); DН0реак = 96,61 кДж. Чи можлива ця реакція за стандартних умов, якщо зміна ентропії DS0реак = = 0,1387 кДж/(моль·К)? При якій температурі почнеться відновлення Fe2O3?
112. Утворення гідроген сульфіду з простих речовин відбувається згідно з рівнянням: H2(г.) + S(ромб.) ® H2S(г.); DН0реак = −20,15 кДж. Використовуючи значення S0 відповідних речовин, визначити DS0 і DG0 для цієї реакції. Чи можливе утворення H2Sіз простих речовин за стандартних умов?
113. Визначити DG0 реакції, що відбувається згідно з рівнянням
4NH3(г.) + 5O2(г.) ® 4NO(г.) + 6H2O(р.). Виконати розрахунки, використовуючи стандартні теплоти утворення та абсолютні стандартні ентропії відповідних речовин. Чи можлива ця реакція за стандартних умов?
114. Розрахувати DG0 реакції, що відбувається згідно з рівнянням
CO(г.) + H2O(р.) ® CO2(г.) + H2(г.), використовуючи стандартні теплоти утворення та абсолютні стандартні ентропії відповідних речовин. Чи можлива ця реакція за стандартних умов?
115. Чим можна пояснити, що за стандартних умов неможлива екзотермічна реакція, що відбувається згідно з рівнянням
H2(г.) + CO2(г.) ® CO(г.) + H2O(рід.); DН0реак = −2,85 кДж? Зробити висновок, враховуючи знак зміни ентропії. Визначити DG0 цієї реакції, використовуючи тепловий ефект реакції та абсолютні стандартні ентропії відповідних речовин.
116. Розрахувати DG0 реакції, що відбувається згідно з рівнянням
CO2(г.) + 4H2(г.) ® CН4(г.) + 2H2О(р.), використовуючи стандартні теплоти утворення та абсолютні стандартні ентропії відповідних речовин. Чи можлива ця реакція за стандартних умов?
117. Розрахувати зміну ентропії внаслідок реакції утворення амоніаку з азоту та водню. При розрахунках використовувати S0 відповідних газів. Чим можна пояснити, що DS0реак < 0?
118. Зменшиться чи збільшиться ентропія при перетворенні: а) води в пару;
б) графіту в алмаз? Чому? Визначити для кожного процесу DS0. Зробити висновок про кількісну зміну ентропії при фазових та алотропічних перетвореннях.
119. Визначити зміну ентропії для реакції, що відбувається згідно з рівняннями: 2СН4(г.) ® С2Н2(г.) + 3Н2(г.); С(графіт) + О2(г.) ® СО2(г.);
N2(г.) + 3H2(г.) ® 2NH3(г.). Чому в цих реакціях DS0реак має такі значення: > 0;
< 0; ≈ 0?
120. Визначити DG0 реакції, що відбувається згідно з рівнянням
4NH3(г.) + 5O2(г.) ® 4NO(г.) + 6H2O(г.). Виконати розрахунки, використовуючи стандартні ентропії відповідних речовин. Чи можлива ця реакція за стандартних умов?
121. Визначити стандартну теплоту утворення карбон сульфіду CS2, якщо
відомо, що тепловий ефект реакції CS2(г.) + 3O2(г.) ® CO2(г.) + 2SO2(г.) дорівнює −1075 кДж.
122. Розрахувати величину DG0реак визначити напрямок самовільних про-цесів за стандартних умов:8Al(кр.) + 3Fe3O4(кр.) ® 9Fe(кр.) + 4Al2O3(кр.); Pb(кр.) + CuO(кр.) ® PbO(кр.) + Cu(кр.);
NiO(кр.) + Pb(кр.) ® Ni(кр.) + PbO(кр.).
123. З утворенням Н2О(г.) спалені рівні об’єми водню та ацетилену, взяті за однакових умов. В якому випадку і в скільки разів виділиться більше теплоти?
124. При сполученні 21 г заліза із сіркою виділилось 36,54 кДж теплоти.
Визначити стандартну теплоту утворення ферум (ІІ) сульфіду.
125. Визначити зміну ентропії у процесі випаровування 250 г води при 25 °С, якщо молярна теплота випаровування води дорівнює 44,08 кДж/моль.
126. Визначити, які з реакцій відбуваються самовільно і є екзотермічними: NiO(кр.) + Pb(кр.) ® Ni(кр.) + PbO(кр.); N2O4(г.) ® 2NO2(г.);
3H2(г.) + N2(г.) ® 2NH3(г.). Відповідь підтвердити розрахунками.
127. Розрахувати DG0 системи PbO2(кр.) + Pb(кр.) ® 2PbO(кр.) з використанням DН0 і S0 реагуючих речовин; визначити, чи можлива ця реакція.
128. Порівняти DН0 реакцій відновлення ферум (III) оксиду різними відновниками: Fe2O3(кр.) + 3H2(г.) ® 2Fe(кр.) + 3H2O(г.);
Fe2O3(кр.) + 3C(гр.) ® 2Fe(кр.) + 3CO2(г.);
Fe2O3(кр.) + 3CO(г.) ® 2Fe(кр.) + 3CO2(г.).
129. Розрахувати тепловий ефект реакції
0,5Na2O(кр.) + 0,5H2O(р.) ® NaOH (кр.), якщо відомі стандартні ентальпії утворення речовин.
130. Визначити тепловий ефект реакції 0,5N2(г.) + 0,5O2(г.) ® NO(г.), використовуючи DG0 і S0 реагуючих речовин.
131. Розрахувати значення DG0 реакції відновлення заліза
FeO(кр.) + C(графіт) ® Fe(кр.) + CO(г.). Чи можлива ця реакція за стандартних умов?
132. Тепловий ефект реакції SO2(г.) + 2H2S(г.) ® 3S(ромб.) + 2H2O(р.) дорівнює –234,50 кДж. Визначити стандартну теплоту утворення H2S.
133. Пряма чи зворотна реакція відбуватиметься за стандартних умов у системі СН4(г.) + СО2(г.) ® 2СО(г.) + 2Н2(г.)? Відповідь підтвердити розрахунками DG0.
134. Визначити зміну ентропії для реакцій, що відбуваються за стандартних умов згідно з рівняннями: N2(г.) + 3H2(г.) ® 2NH3(г.);
C(графіт) + O2(г.) ® CO2(г.).
135. Ендотермічна реакція взаємодії метану з карбон (ІV) оксидом відбува-ється згідно з рівнянням CH4(г.) + CO2(г.) ® 2CO(г.) + 2H2(г.); DН0реак = 247 кДж. При якій температурі почнеться ця реакція?
136. При якій температурі наступить рівновага в системі
4HCl(г.) + O2(г.) ® 2H2O(г.) + 2Cl2(г.); DН0реак = −114,4 кДж? При яких температурах кисень буде більш сильним окисником, ніж Cl2?
137. Хімічна реакція відбувається згідно з рівнянням
NH3(г.) + HCl(г.) ® NH4Cl(кр.). Скільки теплоти виділиться за н.у., якщо в реакції було використано 10 л амоніаку?
138. Визначити температуру, при якій почнеться дисоціація фосфор пентахлориду за реакцією PCl5(г.) ® PCl3(г.) + Cl2(г.); DН0реак = −18,4 кДж.
139. Розрахувати, скільки літрів азоту, приведеного до н.у., взаємодіяло в
реакції з воднем при утворенні амоніаку, якщо DН0реак = −18,4 кДж.
140. При взаємодії трьох молів N2О з амоніаком утворюються азот і пара води та виділяється 377,8 кДж теплоти. Написати термохімічне рівняння цієї реакції і розрахувати стандартну ентальпію утворення N2О.
141. При взаємодії 6,3 г заліза з сіркою виділилось 11,31 кДж теплоти. Розрахувати теплоту утворення ферум (ІІ) сульфіду FeS за стандартних умов.
142. Скільки теплоти виділиться при згорянні 165 л (н.у.) ацетилену С2Н2, якщо продуктами згоряння є карбон (ІV) оксид і пара води?
143. При взаємодії газоподібних гідроген сульфіду та карбон (ІV) оксиду
утворюються пара води і карбон (ІV) сульфід СS2(г.). Написати термохімічне рівняння цієї реакції, визначити тепловий ефект за стандартних умов.
144. Визначити теплоту утворення купрум (ІІ) оксиду, якщо при відновленні вугіллям його 40 г виділяється СО і поглинається 10,92 кДж теплоти;
DН0реак(СО) = −110 кДж∕моль.
145. При згорянні газоподібного амоніаку утворюються пара води і нітроген (ІІ) оксид. Скільки теплоти виділиться при цій реакції, якщо одержано 44,6 л NО (н.у.)?
146. Використовуючи DН0реак і DS0реак відповідних речовин, визначити DG0реак хімічної реакції, що відбувається згідно з рівнянням
С2Н4(г.) + 2О2(г.) ® 2СО(г.) + 2Н2О(р.). Чи можлива ця реакція за стандартних умов?
147. Визначити, яка кількість теплоти виділиться за стандартних умов при відновленні ферум (ІІІ) оксиду з алюмінієм, якщо було одержано 335,1 г заліза.
148. Чи можливий самовільний перебіг хімічної реакції
NH3(г.) + HCl(г.) ® NH4Cl(кр.) за стандартних умов? Відповідь обґрунтувати відповідними розрахунками.
149. Реакція згоряння ацетилену відбувається згідно з рівнянням
С2Н2(г.) + 2,5О2(г.) ® 2СО2(г.) + Н2О(р.). Розрахувати DG0 цієї реакції та пояснити зменшення ентропії системи.
150. Які з перелічених оксидів: СaO, ZnO, Al2O3 - можуть бути відновлені воднем до металу за стандартних умов? Відповідь підтвердити розрахунками DG0 процесів.