Термохимические расчеты

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Номер варианта

Номер контрольного задания

Номера задач контрольных заданий

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Продолжение таблицы

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

Продолжение таблицы

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Продолжение таблицы

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Продолжение таблицы

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Окончание таблицы

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

Ι

ΙΙ

КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ I

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Эмпирический закон Гесса для необратимых химических реакций доказан после открытия первого закона термодинамики. Использующиеся в его следствиях величины внутренней энергии (U) и энтальпии (Н) представляют собой функции состояния, изменения которых определяются только начальным и конечным состоянием системы [1, 2, 7].

Пример 1. Вычислите реакции

4KСlO_{3 (к)} = ЗKСlО_{4 (к)} + KСl _(к) .

Будет ли данная реакция экзо- или эндотермической? Для расчёта используйте термодинамические уравнения*:

1) KСlO_{3 (к)} = KСl _(к) + 3/2 O_{2 (г)}, = – 45,5 кДж.

2) KСlО_{4 (к)} = KСl _(к) + 2 О_{2 (г)}, = + 6,6 кДж.

Решение. Термохимические расчёты проводят на основании закона Гесса: тепловой эффект реакции (при Т, V = const или Т, Р = const) не зависит от пути, по которому протекает процесс, а определяется только природой исходных ве­ществ и продуктов реакции и их физическим состоянием. Согласно закону Гесса при расчётах с термохимическими уравнениями можно производить любые ал­гебраические действия, т.е. переносить члены уравнений из одной части уравнения в другую, складывать, вычитать и т.д.

В данном случае из уравнения 1, умноженного на 4, необходимо вычесть уравнение 2, умноженное на 3. Произведём эти действия и получим

4KClO_{3 (к)} – 3KClO_{4 (к)} = 4KCl _(к) + 6O_{2 (г)} – 3KCl _(к) – 6O_{2 (г)}.

Приводим подобные члены и получаем уравнение химической реакции, которой необходимо определить:

4KСlO_{3 (к)} = 3KСlО_{4 (к)} + KCl _(к).

Такие же действия проведём с энтальпиями этих реакций:

= 4 × –3 × = 4·(– 45,5) – 3 · 6,6 = – 182,0 – 19,8 = – 201,8 кДж.

Таким образом, = – 201,8 кДж. Так как = – Q_р-ции, то данная реакция экзо­термическая, т.е. протекает с выделением 201,8 кДж тепла.

Тепловой эффект можно включить в уравнение химической реакции:

4KСlО_{3 (к)} = 3KСl_{4 (к)} + ЗKСl _(к) + 201,8 кДж.

Такая запись с тепловым эффектом называется термохимическим уравнением.

*В термодинамических уравнениях указываются тепловой эффект реакции ΔH, а в термохимических – Q . Фазовое состояние и полиморфная модификация участвующих в реакции веществ обозначают символами: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое и др.

Пример 2. Рассчитайте тепловой эффект реакции горения сероводорода

1) Н₂S _(г) + 3/2O_{2 (г)} = Н₂О _(ж) + SO_{2 (г)} по следующим данным:

2) S _(к) + H_{2 (г)} = H₂S _(г), = ( H₂S) = – 20,6 кДж/моль;

3) Н_{2 (г)} + 1/2О_{2 (г)} = Н₂О _(ж), = ( Н₂О _(ж)) = – 285,8 кДж/моль;

4) S _(к) + O_{2 (г)} = SO_{2 (г)}, = ( SO₂) = – 286,9 кДж/моль.

Реакция (1) экзо- или эндотермическая?

Решение. Уравнения (2) – (4) являются термодинамическими уравнениями реакций образования соответственно 1 моль H₂S _(г), Н₂О _(ж), и SO_{2 (г)} из простых веществ в стандартных условиях: Т = 298 K и Р = 1 атм, а значит тепловые эффекты этих реакций являются стандартными энтальпиями образования указанных соединений . Справочные значения различных соединений приведены в табл. П1 приложения. Стандартные теплоты образования простых веществ = 0. Складываем уравнения (3) и (4) и вычитаем уравнение (2):

H_{2 (г)} + 1/2О_{2 (г)} = Н₂О _(ж)

+

S _(к) + O_{2 (г)} = SO_{2 (г)}

–

S _(к) + H_{2 (г)} = H₂S _(г)

________________________

H_{2 (г)} + 1/2О_{2 (г)} + S _(к)+ O_{2 (г)} – S _(к) – H_{2 (г)} = Н₂О _(ж) + SO_{2 (г)} – H₂S _(г)

Приведём подобные члены и получим искомое уравнение (1):

H₂S _(г) + З/2О_{2 (г)} = Н₂О _(ж) + SO_{2 (г)}; = + – .

Подставив численные значения энтальпий образования H₂S_(г), H₂O_(ж) и SO_2(г), получим изменение энтальпии для реакции (1):

= –285,8 – 296,9 – (–20,6) = – 562,1 кДж.

Полученное нами уравнение для расчёта энтальпии процесса горения сероводорода есть выражение одного из следствий закона Гесса:

= (∑ )_(прод) – (∑ )_(исх),

где (∑ ) _(прод) и (∑ ) _(исх) – суммы стандартных энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ; , – стехиометрические коэффициенты продуктов и исходных веществ в уравнении реакции.

Отрицательное значение изменения энтальпии реакции горения сероводорода означает, что данная реакция экзотермическая (Q_р-ции = – ).

Пример 3. Вычислите тепловой эффект реакции

SiO_{2 (к)} + 4HF _(г) = SiF_{4 (г)} + 2H₂O _(ж).

Определите, будет ли данная реакция экзо- или эндотермической. Теплоты образования химических соединений приведены в табл. П1 приложения.

Решение. Согласно следствию из закона Гесса, для процессов, которые протекают при Р = const, изменение энтальпии процесса (тепловой эффект реакции) равно разности между суммой энтальпий образования продуктов реакции и сум­мой энтальпий образования исходных веществ, умноженных на соответствующие ко­эффициенты. Находим для предложенной реакции:

= [ (SiF₄) + 2 (H₂O)] – [ (SiO₂) + 4 (HF)].

Находим веществ, участвующих в реакции, в табл. П1 приложения.

Вещество	SiO2 (к)	HF (г)	SiF4 (г)	Н2О (ж)
, кДж/моль	– 910,9	– 273,3	– 1614,9	– 285,8

Итак, = [(– 1614,9) + 2 · (– 285,8)] – [(– 910,9) + 4 ·(– 273,3)] =

= – 2186,5 + 2004,1 = – 182,4 кДж.

Отсюда Q _р-ции = – , = + 182,4 кДж, т.е. данная реакция экзотермическая.

Пример 4. Найдите для SO₂, если при горении 48 г пирита по реакции: 4FeS_{2 (к)} + 11О_{2 (г)} = 2Fe₂O_{3 (к)} + 8SO_{2 (г)} выделилось 330,8 кДж тепла.

Решение. Находим тепловой эффект предложенной реакции, для чего со­ставляем пропорцию:

при сгорании 48 г FeS₂ выделилось 330,8 кДж,

при сгорании 4 · = 4 × 120 г Fe₂S выделится х кДж:

х = = 3308 кДж.

Q _р-ции = 3308 кДж, = – 3308 кДж.

Согласно следствию из закона Гесса

= [8 (SO₂) + 2 (Fe₂O₃)] – [4 (FeS₂) + 11 (O₂)] ,

отсюда (SO₂) = 1/8 – 1/4 (Fe₂O₃) + 1/2 (FeS₂) , так как (O₂) = 0.

Подставим значения , используя табл. П1 приложения, получим

(SO₂) = 1/8 · (– 3308) – 1/4 · (– 822,2) + 1/2 (– 177,4) =

= – 413,5 + 205,5 – 88,7 = – 296,7 кДж/моль.

Итак, (SO₂)= – 296,7 кДж/моль.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Для решений используйте данные табл. П1 приложения.

1. Вычислите тепловой эффект реакции (Q) восстановления оксида железа FeO водородом: FeO _(к) + H_{2 (г)} = Fe _(к) + H₂O _(г), используя следующие термодинамические данные.

1. FeO _(к) + CO _(г) = Fe _(к) + CO_{2 (г)}, = – 18,2 кДж.

2. СО _(г) + 1/2 О_{2 (г)} = СО_{2 (г)}, = – 283,0 кДж.

3. Н_{2 (г)} + 1/2 О_{2 (г)} = Н₂О _(г), = – 241,8 кДж.

Ответ: Q_р-ции = – 23 кДж.

2. Вычислите реакции 3N₂O _(г) + 2NH_{3 (г)} = 4N_{2 (г)} + ЗН₂О _(г). Будет эта реакция экзо- или эндотермической?

Ответ: = – 879,6 кДж.

3. Вычислите тепловой эффект (Q) процесса образования 1 т чистого карбида кальция СаС₂ по реакции СаО _(к) + ЗС _(к) = CaC_{2 (к)} + CO _(г).

Ответ: Q_р-ции = – 7,26 · 10⁶ кДж.

4. Вычислите (SiO₂) исходя из термодинамических данных для реакции:

SiO_{2 (к)} + 2Mg _(к) = 2MgO _(к) + Si _(к), = – 292,04 кДж.

Ответ: (SiO₂) = – 910,94 кДж/моль.

5. Сколько теплоты выделится при сжигании 38 г сероуглерода CS_{2 (г)} до СО₂ и SO₂?

Ответ: Q_р-ции = 552,0 кДж.

6. Исходя из термодинамических данных для реакций окисления As₂O₃ кислородом и озоном, протекающих по уравнениям:

1) As₂O_{3 (к)} + О_{2 (г)} = As₂O_{5 (к)}, = – 271,0 кДж;

2) 3As₂O_{3 (к)} + 2О_{3 (г)} = 3As₂O_{5 (к)}, = – 1096,0 кДж,

вычислите энтальпию образования озона из молекулярного кислорода.

Ответ: ( ) = 141,5 кДж/моль.

7. Вычислите полиморфного превращения графита в алмаз

С _{(графит)} = С _(алмаз), на основании термохимических уравнений реакций:

1) 2С _{(графит)} + 2О_{2 (г)} ® 2СО_{2 (г)} + 787,0 кДж;

2) 3С _(алмаз) + 3О_{2 (г)} ® 3СО_{2 (г)} + 1186,2 кДж.

Ответ: = + 1,9 кДж.

8. Исходя из термохимического уравнения реакции разложения перекиси водорода Н₂О_{2 (ж)} = Н₂О _(ж) + 1/2О_{2 (г)} + 98 кДж, вычислите стандартную энтальпию образования Н₂О₂.

Ответ: (H₂O₂) = –187,8 кДж/моль.

9. Вычислите стандартную энтальпию образования пропана (С₃Н₈), если известно, что при сжигании 11,0 г этого газа образуются Н₂О _(ж), СО_{2 (г)} и выделилось 555 кДж тепла.

Ответ: = – 103,85 кДж/моль.

10. Вычислите, используя данные табл. П1 приложения, тепловой эффект реакции: 4NH_{3 (г)} + 5 О_{2 (г)} = 6 Н₂О _(г) + 4NO _(г).

Ответ: Q_р-ции = 902 кДж.

11. Вычислите (С₂H₆), исходя из термодинамических реакций:

1) 2C₂H_{6 (г)} + 7O_{2 (г)} = 4CO_{2 (г)} + 6H₂O _(г), = – 2855,56 кДж;

2) С _{(графит)} + О_{2 (г)} = СО_{2 (г)}, = – 393,51 кДж;

3) H_{2 (г)} + 1/2O_{2 (г)} = H₂O _(г), = – 241,8 кДж.

Ответ: = – 84,67 кДж/моль.

12. Сера сгорает в закиси азота по реакции S _(к) + 2N₂O _(г) = 2N_{2 (г)} + SO_{2 (г)}.

Сколько тепла выделится при сгорании 5 г серы?

Ответ: Q = 72,02 кДж.

13. На основании закона Гесса и исходя из следующих термодинамических уравнений: 1) Н_{2 (г)} + О_{2 (г)} = Н₂О_{2 (ж)}, = – 187,86 кДж;

2) Н₂О_{2 (ж)} + Н_{2 (г)} = 2Н₂О _(г), = – 295,76 кДж;

3) Н₂О _(ж) = Н₂О _(г), = 44,02 кДж,

определите изменение энтальпии для реакции 4) 2Н_{2 (г)} + О_{2 (г)} = 2Н₂О _(ж).

Рассчитайте значение стандартной энтальпии образования жидкой воды и сравните Ваш результат со справочными данными.

Ответ: = – 571,66 кДж.

14. Вычислите тепловой эффект реакции MgO _(к) + CO_{2 (г)} = MgCO_{3 (к)}, исходя из следующих термохимических уравне­ний реакций:

1) С _{(графит)} + О_{2 (г)} = СО_{2 (г)} + 393,51 кДж;

2) 2Mg _(к) + O_{2 (г)} = 2MgO _(к) + 1202,98 кДж;

3) 2Мg _(к) + 2С _{(графит)} + 3О_{2 (г)} = 2МgСО_{3 (к)} + 2191,70 кДж.

Ответ: Q _р-ции = 100,85 кДж.

15. По следующим термохимическим данным:

1) Si _{(крист.)} + O_{2 (г)} = SiO_{2 (кварц)} + 910,94 кДж;

2) Si _{(аморф.)} + O_{2 (г)} = SiO_{2 (квapц)} + 927,96 кДж,

вычислите, сколько теплоты выделится при превращении 140 г аморфного кремния в кристаллический?

Ответ: Q = 85,01 кДж.

16. Определите тепловой эффект реакции этерификации:

СН₃СООН _(ж) + С₂Н₅ОН _(ж) = СН₃СООС₂Н_{5 (ж)} + Н₂О _(ж),

исходя из следующих термодинамических уравнений:

1) СН₃СООН _(ж) + 2О_{2 (г)} = 2СО_{2 (г)} + 2Н₂О _(ж), = – 874,59 кДж;

2) С₂Н₅ОН _(ж) + ЗО_{2 (г)} = 2СО₂ + ЗН₂О _(ж), = – 1367,53 кДж;

3) СН₃СООС₂Н_{5 (ж)} + 5О_{2 (г)} = 4СО_{2 (г)} + 4Н₂О _(ж), = – 2193,06 кДж.

Данная реакция экзо- или эндотермическая?

Ответ: Q _р-ции = – 49,06 кДж.

17. Рассчитайте тепловой эффект реакции восстановительного обжига:

Са₃(РО₄)_{2 (к)} + 5С _(к) = ЗСаО _(ж) + 5СО _(г) + Р_{2 (г)}.

Данная реакция будет экзо- или эндотермической?

Ответ: Q _р-ции = – 1806,75 кДж.

18. Этан горит с образованием углекислого газа и воды. Используя данные табл. П1 приложения и на основании термодинамического уравнения реакции

С₂Н_{6 (г)} + 3,5О_{2 (г)} = 2СО_{2 (г)} + ЗН₂О _(ж); = – 1559,84 кДж,

вычислите стандартную энтальпию образования этана.

Ответ: ( С₂Н₆ ) = – 84,67 кДж/моль.

19. Рассчитайте стандартную энтальпию образования диоксида азота (NО₂), исходя из следующего термохимического уравнения:

2NО_{2 (г)} = N₂O_{4 (г)} + 57,27 кДж.

Ответ: = + 34,75 кДж/моль.

20. Используя термохимическое уравнение

Fe₂O_{3 (к)} + 3CO _(г) = 2Fe _(к) + 3CO_{2 (г)} + 26,78 кДж,

вычислите стандартную энтальпию образования оксида железа (III).

Ответ: = – 822,16 кДж/моль.

ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО.