Тема 2. энергетика химических процесов.

Пример 1. Определите количество теплоты, при гашении 100 кг извести водой при 25⁰ С, если известны стандартные теплоты образования веществ, участвующих в химической реакции: DН⁰₂₉₈, Cа O _(тв) = - 635,1 кДж/ моль; DН⁰₂₉₈,Н₂О_(ж)= -285,84 кДж/моль; DН⁰₂₉₈, Ca(OH)_2(тв) = - 986,2 кДж/моль.

Решение: Реакция гашения извести: СаО_(тв) + Н₂O_(Ж) = Са(ОН)_2(тв)

Согласно первому следствию из закона Гесса, тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции минус сумма теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коеффициентов в уравнении реакции. Для данной реакции:

DH⁰₂₉₈,реакции = DН⁰₂₉₈,Cа(ОН)₂ - DН⁰₂₉₈,CаО_(тв) - DН⁰₂₉₈, H₂O_(ж)

DН⁰₂₉₈,реакции= - 986,2 - (- 635,1 ) - (- 285,84) = - 65,26 кДж

Таким образом, при гашении водой 1 моль извести выделяется 65,26 кДж, при гашении 1 кмоль извести - 65260 кДж. М(СаО) = 56 г/моль =56кг/кмоль, m (CаО) = 100 кг. n (CаО) = m (CaO) / M(CaO). При гашении 100 кг извести выделяется 100/56 ´ 65260 = 116536 кДж.

Пример 2. С помощью термохимического уравнения

Н₂S _(г) + 3/2 О₂ = SO_2(г) + Н₂О_(ж) + 562,8 кДж

определите объем сгоревшего сероводорода, если известно, что в результате реакции выделилось 281,4 кДж теплоты.

Решение: Проведем расчет по уравнению реакции и определим объем сероводорода:

х л 281, 4 кДж

Н₂S_{(г) +} 3/2 O₂ = SO_{2 (г)} + H₂O_(ж) + 562, 8 кДж

22,4 л

22,4 / х = 562,8 / 281,4 , х = 11,2 л (Н₂S)

Пример 3. Вычислить стандартное изменение энергии Гиббса для химической реакции

NH_3(г) + НCl _(г)= NH₄Cl_(тв) по значениям стандартных теплот образования и энтропий веществ, участвующих в реакции.

Вещество NH₃ HCl NH₄Cl

DH⁰₂₉₈, кДж/моль - 46,19 - 92,3 - 315,39

S⁰₂₉₈, Дж/мольК 192,5 186,7 94,56

Решение: Изменение энергии Гиббса в химической реакции при температуре Т можно вычислить по уравнению DG = DH - TDS. Тепловой эффект химической реакции DН⁰₂₉₈ определяем по первому следствию из закона Гесса:

DН⁰₂₉₈ = DН⁰₂₉₈,NH₄Сl_(тв)-DН⁰₂₉₈, NH_{3 (г)} - DH⁰₂₉₈, HСl_(г)= - 315, 39 - (-46,19 + - 92,3) = - 176, 9 кДж

Изменение энтропии в химической реакции:

DS⁰₂₉₈ = S⁰₂₉₈,NH₄Cl_(тв)-S⁰₂₉₈, NH_{3(г) -} S⁰₂₉₈, HCl_(г)= 94,56 -192,5 -186,7 = -284,64 Дж/моль К

Изменение энергии Гиббса в химической реакции в стандартных условиях:

DG⁰₂₉₈ = DH⁰₂₉₈ - TDS⁰₂₉₈ T=298 K

DG⁰₂₉₈ = -176,9 - 298 ´ 284,64 ´ 10^-3 = - 92,08 кДж ;

DG⁰₂₉₈ = - 92,08 кДж; DG⁰₂₉₈ меньше нуля, следовательно в стандартных условиях данная реакция возможна.

46. При взаимодействии 1 моль металлического калия с водой выделяется 188,4 кДж теплоты. Определите, какая масса калия прореагировала, выделилось 28,65 кДж теплоты. Ответ: 5,85 г.

47. Вычислите стандартную энтальпию образования уксусной кислоты, используя следующие данные:

1). СН₃СООН (ж) + 2 О₂ = 2 СО₂ (г) + 2 Н₂О (ж) DН = - 871,54 кДж

2). С (графит) + О₂ = СО₂ (г) DН = - 393,5 кДж

3). Н₂ + 1/2 О₂ = Н₂О (ж) DН = - 285,8 кДж

Ответ: - 487,06 кДж

48. Энтальпия растворения сульфата меди равна - 66,5 кДж, а энтальпия гидратации: CuSO₄ (кр) + 5 Н₂О (ж) = CuSO₄ х 5 Н₂О ( кр), DН⁰₂₉₈= -78,22 кДж. Вычислите энтальпию растворения кристаллогидрата. Ответ: 11,72 кДж/моль.

49. Различные виды топлива характеризуются удельной теплотой сгорания - величиной, равной отношению теплоты сгорания к массе сгоревшего топлива. Вычислите удельную теплоту сгорания молока, считая, что в молоке массовая доля белка 3,2 %, жира 2,5 % и углеводов 5,6 %. (Считать, что при метаболизме белков в среднем выделяется 17 кДж/г, при метаболизме жиров 38 кДж/г и удельная теплота сгорания углеводов в среднем 17 кДж/г) Ответ: 2446 кДж/кг.

50. Какая масса ядер грецких орехов может компенсировать половину суточной потребности человека в энергии, равной 6276 кДж, если известно, что в орехах массовая доля жира 64,4 %, белка 15,6 % и углеводов 12 %? (Удельные теплоты сгорания жира, белка и углеводов соответственно равны - 38 кДж/г, 17 кДж/г и 17 кДж/г). Ответ: 0,215 кг.

51. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна реакция, протекающая по уравнению

Н₂ (г) + СО₂ (г) = СО (г) + Н₂О (ж) DН = - 2,85 кДж

Вывод сделайте на основании качественного изменения энтропии. Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ ( см. табл. 1 ) определите DG⁰₂₉₈ этой реакции. Ответ: 19,91 кДж.

52. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите DG⁰₂₉₈ реакции

СО₂ (г) + 4 Н₂ (г) = СН₄ (г) + 2 Н₂O (ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: - 130,89 кДж.

53. При какой температуре наступит равновесие системы

4 НСl (г) + О₂(г) = 2 Н₂О (г) + 2 Сl₂(г) DН = - 114,2 кДж

Что в этой системе является более сильным окислителем - хлор или кислород и при каких температурах? Ответ: 891 K.

54. Определить DS⁰₂₉₈ системы, пользуясь данными табл.1:

Н₂(г) + S (к) = Н₂S (г) Ответ: 43,16 Дж/ моль К.

55. Рассчитайте DS⁰₂₉₈ реакции разложения бертолетовой соли, если S⁰₂₉₈ KClO₃= 142,97 Дж/мольК, а S⁰₂₉₈ KCl = 82,68 Дж/мольК. Ответ: 494,50 Дж/мольК.

56. Вычислите DН⁰₂₉₈, DS⁰₂₉₈, DG⁰₂₉₈ для процесса

MgCO₃(кр) = MgO (кр) + СО₂(г)

Ответ: 101,46 кДж/моль; 174, 9 Дж/мольК ; 43,33 кДж/моль. Процесс невозможен при стандартных условиях.

57. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода. Приведите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия? Ответ: 78,97 кДж.

58. Восстановление Fe₂O₃ водородом протекает по уравнению

Fe₂O₃ (к) + 3 Н₂ (г) = Fe (к) + 3 Н₂О (г) DН⁰₂₉₈=96,61 кДж

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии DS⁰₂₉₈= 0, 1387 кДж/моль? При какой температуре начинается восстановление оксида железа? Ответ: 696 K.

59. При взаимодействии газообразных метана и сероводорода образуются газообразные сероуглерод и водород. Напишите термохимическое уравнение реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: 230,43 кДж.

60. Определите DG⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

4 NH₃(г) + 5 О₂ (г) = 4 NO (г) + 6 Н₂О (г)

Вычисления сделайте на основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ. Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: - 957,77 кДж.

Таблица 1