Энтальпия (тепловой эффект) химических реакций

Энтальпия (Н) - термодинамическая функция состояния химической системы, отвечающая тепловому (энергетическому) эффекту реакции в этой системе при постоянном давлении.

Энтальпия - энергосодержание - мера энергии, накапливаемой пpи образовании вещества, характеризует термодинамическую устойчивость, прочность вещества и является количественным выражением энергетических свойств соединения. Энтальпия вещества зависит от его состояния и от условий, поэтому все энтальпии образования отнесены к одинаковым состояниям и условиям, которые называются стандартными.

Стандартным состоянием вещества называется такое eго агрегатное состояние, которое устойчиво (т.е. обладает наименьшей энтальпией) при стандартных условиях. Стандартные условия протекания реакции отвечают постоянству термодинамической температуры и давления системы. Стандартное давление в системе 1·10⁵ Па. Например, стандартное состояние кислорода - газ 0₂, воды - жидкая вода, углерода - графит. Переход из стандартного состояния в любое другое сопровождается увеличением энтальпии, т.е. эндотермическим тепловым эффектом.

Энтальпии (теплоты) образования простых веществ в стандартных состояниях и при стандартных условиях приняты равными нулю.

Энтальпией (теплотой) образования сложного вещества из простых веществ называется тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ, находящихся в стандартных состояниях. Ее называют стандартной энтальпией (теплотой) образования и обозначают ∆H⁰_f.

Изменение энтальпии ∆H при переходе системы из состояния исходных веществ Н₁ в состояние продуктов реакции Н₂ определяется только начальным Н₁ и конечным Н₂ состояниями системы и не зависит от пути перехода. В реакциях с выделением теплоты (экзотермический эффект) энтальпия системы уменьшается и изменение энтальпии отрицательно (-∆Н), т.к. Н₂< Н₁, а в реакциях с поглощением теплоты (эндотермический эффект) энтальпия системы увеличивается (Н₂ > Н₁)и изменение энтальпии системы положительно (+∆Н). Значения ∆Н мало зависят от температуры, поэтому величину энтальпии реакции определяют в стандартных условиях при Т=298К и называют стандартной энтальпией (тепловым эффектом) химической реакции и обозначают ∆Н⁰₂₉₈ или ∆Н⁰_r.

Уравнения реакций с указанием значений ∆Н⁰_r в кДж называют термохимическими, в них число килоджоулей относится к 1 моль исходного или образующегося вещества.

Для вычисления величины стандартной энтальпии (теплового эффекта) реакции ∆Н⁰_r используют следствие из закона Гесса:

стандартная энтальпия (тепловой эффект) реакции ∆Н⁰_r равна сумме стандартных энтальпий (теплот) образования продуктов реакции Σ∆Н⁰_f(прод) за вычетом суммы стандартных энтальпий (теплот) образования исходных веществ Σ∆Н⁰_f(исх) с учетом стехиометрических количеств всех веществ и их агрегатных состояний:

∆Н⁰_r = Σ∆Н⁰_f(прод) - Σ∆Н⁰_f(исх)

Например, для реакции

Sb₂S₃ (к) + 3Н₂(г) = 2Sb (к) + 3Н₂S(г)

∆Н⁰_r = (3∆Н⁰_f(Н₂S) + 2∆Н⁰_f (Sb) – (∆Н⁰_f(Sb₂S₃)+ 3∆Н⁰_f(Н₂)

Значения стандартных энтальпий (теплот образования) приведены в таблице (см. приложение, табл.2).

Стандартные энтальпии образования простых веществ, термодинамически более устойчивых полиморфных модификаций или аллотропных форм условно приняты равными нулю:

∆Н⁰_f(Н₂)= ∆Н⁰_f (Sb)= 0 кДж/моль.

ПРИМЕР 1

Рассчитайте стандартную энтальпию (тепловой эффект) реакции

SO₂(г) + 2 Н₂S(г) = 3S (ромб) + 2 Н₂О(ж).

Укажите, будет ли данная реакция экзо- или эндотермической?

РЕШЕНИЕ

SO₂(г) + 2H₂S = 3S(ромб) + 2H₂O(ж); ∆Н _r ⁰ = ?

Вещество	SO2	H2S	S	H2O
∆Н r 0	кДж/моль	-297	-20,15		-285,84
n	моль

∆Н _r ⁰ = 3∆Н _f ⁰ (S) + 2∆Н _f ⁰ (H₂O) – (∆Н _f ⁰ (SO₂) + 2∆Н _f⁰ (H₂O)) =

(3∙0+2(-285,84))-(1∙(-297,0))+2∙(-20,15))= -234,5 кДж.

Ответ: Стандартная энтальпия реакции равна -234,5 кДж.

Реакция экзотермическая, так как ∆Н _r ⁰ < 0.

ПРИМЕР 2

По термохимическому уравнению

4FeO(к) + 0₂(г) = 2Fe₃0₃(к); ∆Н _r ⁰ = -584 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию (теплоту) образования продукта.

РЕШЕНИЕ

4FeO(к) + 0₂(г) = 2Fe₃0₃(к); ∆Н _r ⁰ = -584 кДж

вещество	FeO	O2	Fe2O3
∆Н r 0	кДж/моль	-206		?
n	моль

∆Н _r ⁰ = 2∆Н _f ⁰ (Fe₂O₃) – (4∆Н _f ⁰ (FeO)+1∆Н _f ⁰ (O₂))

-584 = 2∆Н _f ⁰ (Fe₂O₃) - [4(-206) + 0].

Откуда:

∆Н _f ⁰ (Fe₂O₃) = - 824КДж/моль.

Ответ: Стандартная энтальпия (теплота) образования оксида железа (ΙΙΙ) равна - 824 кДж/моль.

ПРИМЕР 3

Рассчитайте значение стандартной энтальпии (теплоты) образования этана из простых веществ

2С(графит) + 3Н₂(г) = С₂Н₆(г)

по следующим термохимическим уравнениям:

а) С₂Н₆(г) + 7/20₂ = 2СО₂(г) + 3Н₂0(ж), ∆Н ₁ ⁰ = -1559,87 кДж

б) С(графит) + 0₂(г) =С0₂(г), ∆Н ₂ ⁰ = -393,51 кДж

в) Н₂(г) + 1/20₂(г)=Н₂0(ж), ∆Н ₃ ⁰ = -285,84 кДж

РЕШЕНИЕ

Для вычисления стандартной энтальпии (теплового эффекта ∆Н _r ⁰ ) реакции образования этана из простых веществ по уравнению

2С(графит) + 3Н₂(г) = С₂Н₆(г)

следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) - на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):

С₂Н₆+ 7/20₂ - 2С - 20₂ - 3Н₂ - 3/20₂= 2С0₂+ 3Н₂0 - 2С0₂ - 3Н₂0;

С₂Н₆(г) = 2С(к) + 3H₂(r).

После преобразования получим уравнение (1). Проведя такие же действия со стандартными энтальпиями данных реакций, получим стандартную энтальпию (теплоту) разложения этана:

∆Н_г⁰=∆Н₁⁰-(2∆Н₂⁰+3∆Н₃⁰) =(-1559,87)-2(-393,51)-3(-285,84) = +84,67 кДж.

Энтальпия образования равна энтальпии разложения с обратным знаком, поэтому стандартная энтальпия (теплота) образования этана ∆Н₁⁰ (C₂H₆)= - 84,67 кДж/моль.

ПРИМЕР 4

Вычислите количество теплоты, выделяющееся при получении 300 г метафосфорной кислоты НРОз из оксида фосфора Р₂0₅, пользуясь энтальпиями (теплотами) образования, кДж/моль:

∆H_f ⁰(Р₂0₅)= -1506,6;

∆H_f ⁰ (НРО₃) = - 982,4;

∆H_f ⁰ (Н₂0) = -285,84.

РЕШЕНИЕ

1) Вычисляем стандартную энтальпию (тепловой эффект) реакции:

Р₂0₅ (к) +Н₂0(ж)=2НРО₃(ж), ∆H_r ⁰ =?

∆H_r⁰=∆H_f ⁰ (HPO₃) – (∆H_f⁰(Р₂0₅) + ∆H_f⁰(Н₂0)) = 2(-982,4)-[(-1506,6)+(-285,84)3=

= -172,36 кДж.

2) При образовании двух моль НРО₃(2∙80=160 г) выделяется 172,36 кДж теплоты. Количество теплоты (х), выделяющееся при образовании 300 г НРО₃ , находим по пропорции:

160 г НР0₃ - 172,36 кДж

300 г НР0₃ - х кДж;

х = 323,175 кДж.

Ответ: При получении300 г НР0₃ выделяется 323,175кДж.

Контрольные задания (51-70)

51. При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите стандартную энтальпию образования С₂Н₅ОН (ж) .Ответ: -726,62 кДж.

52.Реакция горения метилового спирта выражается уравнением

СН₃ОН(ж) + 3/20₂(г)= С0₂(г) + 2Н₂0(ж);

Вычислите стандартную энтальпию (тепловой эффект) (∆Н_r°) реакции, если теплота образования СН₃ОН(ж) равна +37,4 кДж/моль. Ответ: 452,37 кДж.

53. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота (ІІ). Вычислите количество теплоты, выделяющегося при получении 44,8 л NO в пересчете на нормальные условия. Ответ: 452,37 кДж.

54. Вычислите количество теплоты, выделяющееся при сгорании 165 л (н.у.) ацетилена С₂Н₂, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды? Ответ: 9248,84 кДж.

55. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделяется 11,31кДж теплоты. Вычислите энтальпию (теплоту) образования сульфида железа Fe (II).

Ответ: -100,2 кДж/моль.

56. Вычислите стандартную энтальпию (тепловой эффект) и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С₂Н₆ (г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ этана в пересчете на нормальные условия?

Ответ: 63742,86 кДж.

57 Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4NH₃(г)+ 30₂(г)= 2N₂(г)+ 6Н₂0(ж); ∆Н _f = -1530,28 кДж

Вычислите стандартную энтальпию (теплоту) образования NH_3.

Ответ: -46,19 кДж/моль.

58. Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением

С₂Н₆ (ж) + 15/О₂ = 6СО₂ (г) + 3 Н₂О (г)

Вычислите стандартную энтальпию (тепловой эффект) (∆H_r ⁰) этой реакции, если теплота образования бензола равна +33,9 кДж/моль.

Ответ: -3135,53 КДж.

59. Вычислите стандартную энтальпию (тепловой эффект) реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

1) FeO(к) + CО(г)= Fe(к) + C0₂(г), ∆H₁ ⁰ = -13,18 кДж

2) СО(г) + 1/2 0₂(г) = С0₂(г), ∆H₂ ⁰ = -283,0 кДж

3) Н₂(г) + 1/2 0₂(r) = H₂0(r), ∆H₃ ⁰ = -241,83 кДж

Ответ: +27,99 кДж.

60.Газообразный этиловый спирт С₂Н₅ОН получают при взаимодействии этилена С₂Н₄ (г) и водяных паров; Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислите ее тепловой эффект. Ответ: -45,76 кДж.

61. При получении молярной массы эквивалента гидроксида кальция из Са0(к) и Н₂0(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите стандартную энтальпию (теплоту) образования оксида кальция. Ответ: -635,6 кДж/моль.

62. Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fe₂0₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа?

63. При сгорании 1 л ацетилена (н.у.) выделяется 56,05 кДж теплоты. Вычислите стандартную энтальпию (теплоту) образования С₂Н₂(г). Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Ответ: 226,75 кДж/моль.

64.Стандартная энтальпия (тепловой эффект) какой реакции равна стандартной энтальпии (теплоте) образования метана? Вычислите стандартную энтальпию (теплоту) образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:

Н₂(г)+1/2 0₂(г) = Н₂0(ж) ∆H₁ ⁰ = -285,84 кДж;

С(к)+0₂(г) =С0₂(г) ∆H₂ ⁰ = -393,51 кДж;

СН₄(г)+ 20₂(г)= Н₂0(ж)+ С0₂(г), ∆H₃ ⁰ = - 890,0 кДж

Ответ: -74,88 кДж.

65. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразного аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее стандартную энтальпию (тепловой эффект). Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия? Ответ: 78,97 кДж.

66. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО (г) и водородом, в результате которой образуются СН₄ и Н₂0(г). Вычислите количество теплоты, выделяющееся при получении 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия.

Ответ: 618,48 кДж.

67. Стандартная энтальпия (тепловой эффект) какой реакции равна стандартной энтальпии (теплоте) образования N0? Вычислите стандартную энтальпию образования N0, исходя из следующих термохимических уравнений:

4NH₃ (г)+5О₂ (г)= 4 NO(г) + 6Н₂0(ж), ∆H₁ ⁰ = -1168.80 кДж;

4NH₃(г)+ 30₂(г) = 2N₂(г) + 6Н₂0(ж). ∆H₂ ⁰ = -1530,28 кДж.

Ответ: 90,37 кДж/моль

68. При взаимодействии газообразных сероводорода идиоксида углерода образуются пары воды и сероуглерода СS₂. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее стандартную энтальпию (тепловой эффект).

Ответ: +65,43 кДж.

69. Вычислите стандартную энтальпию (теплоту) образования бензола и составьте термохимическое уравнение реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и диоксида углерода, если стандартная энтальпия (тепловой эффект) реакции равен -3135,58 кДж. Ответ: +49,03 кДж.

70.Стандартная энтальпия (тепловой эффект) какой реакции равна стандартной энтальпии (теплоте) образования гидроксида кальция? Вычислите стандартную энтальпию (теплоту) образования гидроксида кальция, исходя из следующих термохимических уравнений:

Са(к) + 1/2 0₂(г) = СаО(к) , ∆H₁ ⁰ = -635,60 кДж;

Н₂(г) + 1/2 О₂(г) = Н₂0(ж), ∆H₂ ⁰ = -285,84 кДж

СаО(к) + Н₂0(ж) = Са(ОН)₂(к), ∆H₃ ⁰ = -65,06 кДж.

Ответ: -986,50 кДж.