I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К практическим занятиям

по дисциплине "Общая и неорганическая химия"

Тема: "Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".

Северодвинск

УДК 546(076.1)

Белозерова Т.И.

"Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К практическим занятиям

по дисциплине "Общая и неорганическая химия"

Ответственный редактор Гуляева Т.Г.

Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Физика» Горин С.В.

к.б.н., доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды»

Камышева Е.А.

Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Методическое пособие содержит сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направления и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД №01734 от 11 мая 2000г.

Севмашвтуз, 2004г.

Термохимические расчеты. Закон Гесса. Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье.

Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса, специальность 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Методическое пособие содержит общие сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направление и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.

Теплота сгорания топлива.

Тепловой эффект реакции окисления кислородоэлементов, входящих в состав вещества, до образования высших оксидов называется теплотой образования этого вещества ΔН0сг. Расчет теплоты сгорания проводится с использованием закона Гесса. Например, теплота сгорания этанола при 298 К;

С2Н5ОН (ж) + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О (г)

можно рассчитать по уравнению:

ΔН0сг С2Н5ОН = 2ΔН0СО2 + 3ΔН0Н2О – 2ΔН0С2Н5ОН

Подставляя данные ΔН0 из приложения 1 получаем теплоту сгорания этанола:

ΔН0сг С2Н5ОН = 2(-393,5) + 3(-241,8)- (-277,7) = -1237,7 кДж/моль.

В технических расчетах используют удельную теплоту сгорания Qт, которая равна количеству теплоты, выделяющейся при сгорании 1кг жидкого или твердого вещества и 1 м3 газообразного вещества до образования высших оксидов

Qт = -ΔНсг * 1000/м или Qт = -ΔНсг * 1000/22,4,

где М- масса моля вещества

22,4 л – объем моля газа.

III. Химическое равновесие. Правило Ле Шателье-Брауна.

Характер смещения под влиянием внешних воздействий можно прогнозировать применяя принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии оказывается воздействие из вне, то равновесие в системе смещается так, чтобы ослабить внешнее воздействие.

Влияние концентраций.

Повышение концентрации одного из реагирующих веществ смещает равновесие реакции в сторону расходования вещества.

Понижение концентрации – в сторону образования вещества.

Влияние температуры.

Повышение температуры смещает равновесие в сторону реакции, идущей с поглощением теплоты (эндотермической), а понижение температуры смещает равновесие в сторону реакции, идущей с выделением теплоты (экзотермической).

Влияние давления.

Повышение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с уменьшением объема и, наоборот, понижение давления – в сторону реакции, идущей с увеличением объема.

Примеры решения задач.

Пример 1.Как изменится скорость реакции, протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 4 раза?

2NO(г.)+О2(г.)= 2NO2

Решение: увеличить давление в 4 раза означает увеличит и концентрацию газов во столько же раз.

1. Определяем скорость реакции до повышения давления.

V1 = K*C2NO*CO2

2. Определяем скорость реакции после повышения давления.

V2 = K*(4CNO)2 * (4CO2) = 64 K*C2NO*CO2

3. Определяем во сколько раз возросла скорость реакции

V2 = 64 *K*C2NO*CO2 = 64

V1 K*C2NO*CO2

Ответ: скорость реакции возросла в 64 раза.

Пример 2. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 20 С до 50 С0. Температурный коэффициент равен 3.

Решение: по правилу Вант – Гоффа Vт2 = Vт1 * γT2-T1/10

По условию задачи требуется определить 2

1

Подставим данные в формулу:

2 = γT2 - T1/10 = 3(50-20)/10 = 33 = 27

1

Ответ: скорость реакции возросла в 27 раз.

Пример 3.Вычисление константы равновесия реакции по равновесным концентрациям реагирующих веществ и определение их исходных концентраций.

При синтезе аммиака N2 + ЗН2 == 2NН3 равновесие установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ (моль/л): CN2 = 2,5; CH2 = 1,8; CNH3 = 3,6. Paсчитайте константу равновесия этой реакции и концентрации азота и водорода.

Решение: определяем константу равновесия этой реакции:

K*C = C2NH3 = (3,6)2 = 0,89

CN2*C3H3 2,5*(1,8)3

Константа равновесия, вычисленная по концентрациям реагирующих веществ, обозначается Кс

Исходные концентрации азота и водорода находим на основе уравнения реакции. На образование двух молей NH3 расходуется один моль азота, а на образование 3,6 молей аммиака потребовалось 3,6/2=1,8 моля азота. Учитывая равновесную концентрацию азота,

находим его первоначальную концентрацию:

CисхN2 = 2,5 + 1,8 = 4,3 моль/л

На образование двух молей NH3 необходимо израсходовать 3 моля водорода, а доля получения 3,6 моля аммиака требуется

3*3,6/2 = 5,4 моля.

CисхН2 = 1,8 + 5,4 = 7,2 моль/л

Ответ: CN2 = 4,3

CH2 = 7,2

Пример 4. Константа равновесия гомогенной системы

СО (г) + Н2O (г) ==СО2(г) + Н2 (г)

при 8500С равна 1. Вычислите, концентрации всех веществ при равновесии, если исходные концентрации: [CO]исх = 3 моль/л, [H2O]исх = 2 моль/л.

Решение: при равновесии скорости прямой и обратной реакций равны, а отношение констант этих скоростей есть тоже величина постоянная и называется константой равновесия данной системы:

Vпр = K1[CO] [H2O];

Vобр = K2[CO2] [H2];

Kравн = K1 = [CO2] [H2]

K2 [CO] [H2O]

В условии задачи даны исходные концентрации, тогда как в выражение Kравн входят только равновесные концентрации всех веществ системы. Предположим, что к моменту равновесия концентрации [CO2]равн = х моль/л. Согласно уравнению системы число молей образовавшегося водорода при этом будет также х моль/л. По столько же молей (х моль/л) СО и Н2О расходуется для образования по х молей СО2, и Н2. Следовательно, равновесные концентрации всех четырех веществ будут:

[CO2]равн =[Н2]равн = х моль/л,

[CO2]равн = (3 - х) моль/л,

2O]равн = (2 - х) моль/л.

Зная константу равновесия, находим значение х, а затем и исходные концентрации всех веществ:

1 = х2

(3-х)*(2-х),

х2 = 6 - 2х – 3х + х2; 5х = 6, х = 1,2 моль/л

Таким образом, искомые равновесные концентрации:

[CO2]равн = 1,2 моль/л.

2]равн = 1,2 моль/л.

[CO]равн = 3 – 1,2 = 1,8 моль/л.

2О]равн = 2 - 1,2 = 0,8 моль/л.

Пример 5.Эндотермическая реакция разложения пентахлорида фосфора протекает по уравнению:

РСl5 (г) == PCl3 (г) + Сl2 (г); ΔН = + 129,7 кДж.

Как надо изменить: а) температуру, б) давление; в) концентрацию, чтобы сместить равновесие в сторону прямой реакции - разложения РСl5?

Решение: смещением или сдвигом химического равновесия называют изменение, равновесных концентраций реагирующих веществ в результате изменения одного из условий реакции. Направление, в котором сместилось равновесие, определяется но принципу Ле-Шателье: а) так как реакция разложения РС15 эндотермическая (ΔН > 0), то для смешения равновесия в сторону прямой реакции нужно повысить температуру; 6) так как в данной системе разложение РСl5 ведет к увеличению объема (из одной молекулы газа образуются две газообразные молекулы), то для смещения равновесия в сторону прямой реакции надо уменьшить давление; в) смещение равновесия в указанном направлении можно достигнут, как увеличением концентрации РСl5, так и уменьшением концентрации PCl3 или Cl2.

3.1 Задачи для самостоятельного решения.

1. Окисление серы и ее диоксида протекают по уравнениям:

a) S(к) + О2(г) == SO2(r); б) 2SO2(r) + О2(г) = 2SО3(r).

Как изменятся скорости этих реакций, если объемы каждой из систем уменьшить в четыре раза?

Ответ: увеличатся: а) в 4 раза, б) в 64 раза.

2. Напишите выражение для константы равновесия гомогенной системы N2 + 3H2 = 2NH3. Как изменится скорость прямой реакции - образования аммиака, если увеличить концентрацию водорода в 3 раза?

Ответ: увеличится в 27 раз.

3. Реакция идет по уравнению N2 + О2 — 2NO. Концентрации исходных веществ до начала реакции были: [N2] = 0,049 моль/л; [О2] = 0,01 моль/л. Вычислите концентрацию этих веществ в момент, когда [NO] стала равной 0,005 моль/л.

Ответ: [N2] = -0,0465 моль/л; [O2] = 0,0075 моль/л.

4. Реакция идет по уравнению N2 + ЗН2 = 2NH3. Концентрации участвующих в ней веществ были: [N2] = 0,80 моль/л; [H2] = 1,5 моль/л; [NH3] = 0,10 моль/л. Вычислите концентрацию водорода и аммиака, когда [N2] стала равной 0,50 моль/л.

Ответ: [NН3] = 0,70 моль/л; [H2] = 0,60 моль/л.

5. Реакция идет но уравнению Н2 + I2 = 2HI. Константа скорости этой реакции при 508°С равна 0,16. Исходные концентрации реагирующих веществ были: [Н2] = 0,04 моль/л; [I2] = 0,05 моль/л. Вычислите начальную скорость реакции и скорость ее, когда [H2]стала равной 0,03 моль/л.

Ответ: 3,2*10-4; 1,92*10-4.

6. Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, если понизить температуру от 120 до 80°С. Температурный коэффициент скорости реакции равен трем.

Ответ: в 81 раз.

7. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры на 60 град, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен двум?

Ответ: увеличится в 64 раза.

8. Как изменится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при понижении температуры на 30 град, если температурный коэффициент скорости данной реакции равен трем?

Ответ: уменьшится в 27 раз.

9. Напишите, выражение для константы равновесия гомогенной системы 2SO2 + О2 == 2SO3. Как изменится скорость прямой реакции — образования серного ангидрида, если увеличить концентрацию SO2 в 3 раза?

Ответ: увеличится в 9 раз.

10. Напишите выражение, для константы равновесия гомогенной системы СН4 + СО2 = 2CO + 2Н2. Как следует изменить температуру плавление, чтобы повысить выход водорода? Прямая реакция - образования водорода эндотермическая.

11. Реакция идет по уравнению 2NO + О2 = 2NО2. Концентрации исходных веществ были: [NO] = 0,03 моль/л; [O2] = 0,05 моль/л. Как изменится скорость реакции, если увеличить концентрацию кислорода до 0,10 моль/л и концентрацию NO до 0,06 моль/л.

Ответ: увеличится в 8 раз.

12. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы: СO2 +C = 2СО. Как изменится скорость прямой реакции — образования СО, если кон­центрацию СО2 уменьшить в четыре paза? Как следует изменить давление, чтобы повысить выход СО?

13. Напишите выражение для константы равновесия гетерогенной системы С + Н2О(г) = СО + Н2. Как следует изменить концентрацию и давление, чтобы сместить равновесие в сторону обратной реакции — образования водяных паров?

14. Равновесие гомогенной системы

4HCI (г) +О2 (г) = 2Н2О (г) + 2Cl2 (г)

установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ: [Н2О] = 0,14 моль/л; [С12]= 0,14 моль/л; [HCl] = 0,20 моль/л; [O2] = 0,32 моль/л. Вычислите исходные концентрации хлористого водорода и кислорода.

Ответ: [НС1]исх = 0,48 моль/л; [O2] исх = 0,39 моль/л.

15. Вычислите константу равновесия для гомогенной системы СО(г) + Н2О(г) = СО2(г) + Н2(г), если равновесные концентрации реагирующих веществ [СО] = 0,004 моль/л; [Н2О] = 0,064 моль/л; [СО2] = 0,016 моль/л; [Н2] = 0,016 моль/л.

Ответ: К = 1.

16. Константа равновесия гомогенной системы

CO(г) + H2O(г) = CO2(г) + H2(г)

При некоторой температуре равна 1. Вычислите равновесие концентрации всех реагирующих веществ, если исходные концентрации [CO] = 0,10 моль/л; [H2O] = 0,14 моль/л.

Ответ: [CO2] = [H2] = 0,08 моль/л; [CO] = 0,02 моль/л; [H2O] = 0,32 моль/л.

17. Константа равновесия гомогенной системы

N2 + ЗН2 = 2NH3

при температуре 400оС равна 0,1. Равновесные концентрации водорода и аммиака соответственно равны 0,2 моль/л и 0,08 моль/л. Вычислите равновесную и начальную концентрации азота.

Ответ: 0,8 моль/л; 0,84 моль/л.

18. При некоторой температуре равновесие гомогенной системы 2NO + O2 = 2NO2 установилось при следующих концентрациях реагирующих веществ; (NO) = 0,2 моль/л; [O2] = 0,1 моль/л; [NO2] = 0,1 моль/л. Вычислите константу равновесия и концентрацию NO и O2.

Ответ: К = 2,5; [NO] = 0,3 моль/л; [O2] = 0,15 моль/ л.

19. Почему при изменении давления смещается равновесие системы N2 + 3H2 == 2NH3 и не смещается равновесие системы N2 + O2 == 2NO? Напишите выражения для констант равновесия каждой из данных систем.

20. Исходные концентрации NO н CI2, в гомогенной системе

2NO + Cl2 == 2NOCl составляют соответственно 0,5 и 0,2 моль /л. Вычислите константу равновесия, если к моменту наступления равновесия прореагировало 20% NO.

Ответ: 0,416.

III. Варианты контрольных заданий «Термохимические расчеты. Закон Гесса».

Вариант №1

1. Вычислить ΔНо реакции в Дж/моль: 2Н2S + SО2 = 2H20 + 3S.

2. Вычислить ΔS о реакции (Дж/моль*К).

3. Какова зависимость изменения функции Гиббса ΔG от температуры?

4. Вычислить ΔG о298 (Дж/моль).

5. Возможна ли эта реакция? Почему? Т=298о

6. Реакция горения этилена С2Н4 выражается уравнением:

С2Н4 + 3О2 = 2СО2 + 2Н2О жидк.

Определите теплоту образования этилена, если ΔНр=-1409 кДж

7. Сколько тепла выделяется при восстановлении 8г. окиси меди (CuO) водородом с образованием жидкой воды?

8. Определите температуру, при которой реакция будет находится в равновесии? Если известно, что Р=1*105 Па (см. вопрос 1)

9. Какая степень окисления титана более устойчива, если для реакции

TiO2 + Ti = 2TiO свободная энергия Гиббса, вычисленная при стандартных условиях, имеет положительное значение.

10. Сколько тепла выделяется при окислении кислородом 32 г SО2, если ΔНо2=-297 кДж/моль ΔНоSО3=-395,3 кДж/моль

2S (г) + SО2 (г) = 2H20 (ж) + 3S (кр.)

Вещество, состояние ∆ Но298, кДж/моль ∆ Sо298, кДж/моль*град.
Н2S (г) -20,1
2H20 (ж) -285,5 69,8
S (тв) 31,77
2 (г) -296,4 247,9

Вариант №2

1. Вычислите ΔН реакции (Дж/моль)

Na2O (кр) + H2O(г) = 2NaOH (кр)

2. Вычислить ΔSо реакции (Дж/моль * К)

3. Какова зависимость изменения функции Гиббса ΔG от температуры

4. Вычислить ΔG298 (Дж/моль)

5. Возможна ли эта реакция?

6. Вычислить энтальпию разложения 1 кг. KСlO3 по уравнению

7. Реакция растворения оксида меди в соляной кислоте идет по уравнению:

СuO + 2HCl = СuCl2 + Н2О, ΔНр = -63,98 кДж

Каков тепловой эффект растворения 100г. СuO?

8. Определите температуру, при которой реакция в равновесии (см. вопрос 1) (К)

9. Определите энтропию парообразования HI, если ΔНо = 19,75 кДж/моль, t=1747оС (Дж/моль*К)

10. При взаимодействии 2 моль Na c 1 молем брома (Br2) выделяется 761,4 кДж. Определить энтальпию образования Na Br (кДж/моль).

Na2O (к) + H2O(г) = 2NaOH (кр)

Вещество, состояние ΔНо298, кДж/моль ΔSо298, кДж/моль*град.
Na2O (к) - 430,6 71,1
NaOH (кр) - 424,6 64,18
H2O(г) - 241,84 188,74
КСlО3 (к) - 390,83  
КСl (к) - 435,89  

IV. Варианты контрольных заданий «Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье».

Вариант №1

Дана система 2Н2О (г) + О2 (г) = 2 Н2О2 (ж)

1. Определить ΔН этой реакции при стандартных условиях (кДж)

2. Написать уравнение зависимости скорости прямой реакции от концентрации исходных веществ

3. Написать выражение для определения константы равновесия

4. Исходная концентрация Н2О равна 10 моль/л, равновесная концентрация Н2О2 равна 2,5 моль/л, определить:

- равновесную концентрацию О2, если Кр=0,5:

5. – равновесную концентрацию Н2О (г)

6. – израсходованную концентрацию Н2О (г)

7. В какую сторону сместится равновесие в этой системе, если повысить температуру:

8. – увеличить давление:

9. – увеличить концентрацию Н2О (г)

10. Для какой из равновесных систем Кр=[СО2

10.1. CaCO3(т) = CaO(т) + CO2 (г)

10.2. 2CO(г) + О2 (г) = 2CO2(г)

10.3. CO2(г) + С(т) = 2CO(г)

10.4. BaO(т) + СО2 (г) = BaCO3(т)

10.5. С(т) + O2(г) = CO2(г)

Вариант №2

Дана система СО(г) + Cl2 (г) = СОCl2 (г)

1. Определить ∆ Н этой реакции при стандартных условиях (кДж)

2. Написать уравнение зависимости скорости прямой реакции от концентрации исходных веществ

3. Написать выражение для определения константы равновесия

4. Исходная концентрация СО равна 10 моль/л, равновесная концентрация СОCl2 равна 2,5 моль/л, определить израсходованную концентрацию СО :

5. – равновесную концентрацию СО

6. – израсходованную концентрацию Cl2

7. В какую сторону сместится равновесие в этой системе, если повысить температуру:

8. – увеличить давление:

9. – увеличить концентрацию СО

10. Для какой из равновесных систем Кр=СО2

10.1. CaCO3(т) = CaO(т) + CO2 (г)

10.2. 2CO(г) + О2= 2CO2(г)

10.3. CO2(г) + С(т) = 2CO

10.4. BaO(т) + СО2 (г) = BaCO3(т)

10.5. С(т) + O2(г) = CO2(г)

V. Задачи для самостоятельного решения из задачников:

1. Л.М.Романцева, З.Л.Лещинская «Сборник задач и упражнений по общей химии»,М.,»Высшая школа»,1980, стр 49-86, №№281, 282, 283, 284, 287, 280, 297, 301.

2. Н.Л. Глинка «Задачи и упражнения по общей химии». Л. «Химия», 1985, стр 71-103, №№283,285,287,288,289,322,325,327,331,332,363,364.

Приложение 1

Таблица 1

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К практическим занятиям

по дисциплине "Общая и неорганическая химия"

Тема: "Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".

Северодвинск

УДК 546(076.1)

Белозерова Т.И.

"Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К практическим занятиям

по дисциплине "Общая и неорганическая химия"

Ответственный редактор Гуляева Т.Г.

Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Физика» Горин С.В.

к.б.н., доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды»

Камышева Е.А.

Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Методическое пособие содержит сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направления и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД №01734 от 11 мая 2000г.

Севмашвтуз, 2004г.

Термохимические расчеты. Закон Гесса. Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье.

Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса, специальность 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Методическое пособие содержит общие сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направление и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.

I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Наука о взаимных превращениях различных видов энергии называется термодинамикой. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты называются экзотермическими, а те которые сопровождаются поглощением теплоты – эндотермическими.

Изменения энергии системы, при протекании в ней химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектом химической реакции.

Характеристическая функция

U + pV = H (1)

где, V – объем системы , U – внутренняя энергия, называется энтальпией системы.

Энтальпия – функция состояния системы. При постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпией реакции ΔH.

При экзотермической реакции ΔH<0 (Qp>0) – энтальпия системы уменьшается.

При эндотермических реакциях ΔH>0 (Qp<0).

Изменения энтальпии в процессе образования данного вещества в стандартном состоянии их простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях, называются стандартной энтальпией образования ΔH0298. Тепловой эффект зависит от температуры, поэтому в индексе указывается температура (298 К).

Уравнение процессов, в которых указаны тепловые эффекты, называются термохимическими

H2 + 1/2О2=H2О(ж) ΔH0298= -285,8 кДж

Чтобы энтальпию отнести к одному молю какого-либо вещества, термохимические уравнения имеют дробные коэффициенты.

В термохимических уравнениях записываются также агрегатные состояния веществ: Г-газовое, Ж-жидкое, Т-твердое, К-кристаллическое.

Энтальпия (теплота) образования – тепловой эффект образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа. Обозначают ΔH0обр или ΔH0f.

Закон Гесса – тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий.

В термохимических расчетах применяют следствие из Закона Гесса:

Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования (ΔH0обр) продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнениях реакции

ΔНх.р. = ∑Δ Н обр.прод. - ∑ΔН0обр.исх. (2)

Значения стандартных энтальпий образования ΔН0298 даны в таблице (приложение №1).

Пример 1. Рассчитаем стандартную энтальпию образования пропана С3Н8, если тепловой эффект реакции его сгорания

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О (г)

равна ΔНх. = -2043,86 кДж/моль

Решение: В соответствии с уравнением (2)

ΔНх.р. = (3ΔН0 (СО2) + 4ΔН0 20)г) – (ΔН03Н8) + 5ΔН0 2)) =

= ΔН0 обр.(С3Н8) = 3ΔН0(СО2) – 5ΔН02) – ΔН0х.р. + 4ΔН02О)г

Подставив значение ΔН0х.р. и справочные данные, энтальпии простых веществ равны нулю ΔН0О2 = 0

ΔН0С3Н8 = 3(-393,51) + 4(-241,82) – 5*0 – (2043,86) = -103,85 кДж/моль

Ответ: энтальпия образования пропана относится к экзотермическим процессам.

Пример 2.Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:

С2Н5ОН (ж) + ЗО2(г) = 2СО2 (г) + ЗН2О(ж); ΔН = ?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная энтальпия С2Н5ОН(ж) равна + 42,36 кДж и известны энтальпии образования С2Н5ОН (г); СО2(г); Н2О(ж) (см. табл.1).

Решение: для определения ∆Н реакции необходимо знать теплоту образования С3Н5ОН (ж). Последнюю находим из данных задачи:

С2Н5ОН (ж) = С2Н5ОН (г); ΔН = +42,36 кДж + 42,36 = -235,31 – ΔН С2Н5ОН (ж)

ΔН С2Н5ОН (ж) = - 235,31 – 42,36 = - 277,67 кДж

Теперь вычисляем ΔН реакции, применяя следствие из закона Гесса:

ΔНх.р. = 2 (-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж

Пример 3.Растворение моля безводной соды Na2CO3 в достаточно большом количестве воды сопровождается выделением 25,10 кДж теплоты, тогда как при растворении кристаллогидрата Na2CO3 * 10H2O поглощается 66,94 кДж теплоты. Вычислить теплоту гидратации Na2CO3 (энтальпию образования кристаллогидрата).

Решение: составляем термохимические уравнения соответствующих реакций:

А) Na2CO3 + aq = Na2CO3 * aq; ΔН = -25,10 кДж

Б) Na2CO3 * 10H2O + aq = Na2CO3 * aq; ΔН = +66,94 кДж

Теперь, вычитая уравнение Б) из уравнения А), получаем ответ:

Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3 * 10H2O; ΔН = -92,04 кДж,

т.е. при образовании Na2CO3 * 10H2O выделяет 92,04 кДж теплоты.

Пример 4.Зная энтальпию образования воды и водяного пара (см. таб. 1), вычислить энтальпию испарения воды.

Решение: задача решается аналогично задачам в примерах 3 и 4:

А) H2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(г); ΔН = -241,83 кДж

Б) Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(ж) ; ΔН = -285,84 кДж

Вычитая уравнение (Б) из уравнения (А) получаем ответ:

Н2О(ж) = Н2О(г); ΔН = - 241,83 + 285,84 = + 44,01 кДж,

т.е. для перевода воды в пар необходимо затратить 44,01 кДж тепла.

Пример 5.При образовании хлористого водорода по реакции

Н2 + Сl2 = 2HCl

Выделяется 184,6 кДж тепла. Чему равна энтальпия образования HCl?

Решение: энтальпия образования относится к 1 моль, а по уравнению образуется 2 моль HCl.

ΔН0 НCl = -184,6 / 2 = -92,3 кДж/моль

Термохимическое уравнение:

1/2Н2 + 1/2Cl2 = HCl; ΔН = -92,3 кДж/моль

Пример 6. Вычислить тепловой эффект горения аммиака.

2NH3(г) + 3/2O2(г) = N2(г) + 3H2O(г)

Решение: на основании следствия из закона Гесса имеем

ΔН = ∑Δ Н0кон - ∑ΔН0исх. = (ΔН0(N2)+ 3ΔН020)) - (2ΔН0 (NH3) + 3/2ΔН02))

Так как энтальпии простых веществ равны 0 (ΔН0 (N2) = 0; ΔН0 (02) = 0)

Получаем: ΔН = 3ΔН0(H2О)(г) – 2ΔН0 (NH3)

По таблице находим значение стандартных энтальпий образования

ΔН0 (NH3) = -45,94 кДж

ΔН0(H2О) = -241,84 кДж

ΔН = 3 (-241,84) – 2 (-45,94) = -633,4 кДж

Пример 7.Вычислить тепловой эффект реакции горения

А) 11,2 л ацетилена

Б) 52 кг ацетилена

Решение:

1. Написать термохимическое уравнение горения ацетилена

C2H2(г) + 5/2O2(г) = 2CO2(г) + H2O(г) + ΔН

2. Написать выражение для расчета стандартного теплового эффекта реакции, пользуясь следствием из закона Гесса

ΔН0х.р. = (2ΔН0(СО2) + ΔН02О)(г)– ΔН02Н2)

Подставим в это выражение табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:

ΔН0х.р. = 2(-393,5) + (-241,8) – 226,8 = -802,0 кДж

3. Из термохимического уравнения реакции видно, что количество тепла выделяется при сгорании 1 моль ацетилена (22,4 л или 26 г).

Количество тепла прямо пропорционально количеству участвующего в горении вещества. Следовательно можно составить пропорцию :

1 с п о с о 6 :

а) 22,4 л С2Н2 - (-802,0 кДж )

11,2 л С2Н2 - х

х = - 401,0 кДж

Б) 26 г C2H2 - ( 802,0 кДж)

52*103 С2Н2 - х

х = 52*103*(-802) = - 1604 * 103 кДж

2 с п о с о б :

Определяем количество моль ацетилена

٧(С2Н2) = m(C2H2) = V(C2H2)

M(C2H2) Vm

A) ٧(С2Н2) = 11,2 = 0,5 моль

22,4

1 моль С2Н2 - (- 802,0 кДж)

0,5 моль С2Н2 - х

х = -401,О кДж

Б) ٧( С2Н2) = 52*103 = 2*103 моль

1 моль С2Н2 - (- 802,0 кДж)

2*103 моль С2Н2 - х

х = 2*103*(-802) = - 1604*103 кДж

Пример 8.Определить стандартную энтальпию образования ацетилена, если при сгорании 11,2 л. его выделилось 401 кДж тепла.

Решение: С2Н2(г) + 5/2О2 = 2СО2 + Н2О(г) ΔНх.р.

1. Определяем тепловой эффект химической реакции

а) ν(С2Н2) = 11,2 л /22,4 л/моль = 0,5 моль

б) 0,5 моль С2Н2 - - 401 кДж

1 моль С2Н2 - - х

х = 1*(-401) = -802 кДж - ΔНх.р.

0,5

2. Пользуясь следствием из закона Гесса определяем стандартную энтальпию образования ΔН02Н2):

ΔНх.р. = (2ΔН0 (СО2) + ΔН020 )) – (ΔН02Н2) + 5/2 ΔН02))

ΔН0 С2Н2 = 2ΔН0(СО2) + ΔН02О)г – ΔН х.р. + 5/2 ΔН02)

Подставим в это выражение табличные значения стандартных знтальпий образования веществ:

ΔН0 С2Н2 = 2 (-393) + (-241,8) – (-802) – 0 = 226 кДж

Ответ: ΔН0 С2Н2 = 226 кДж/моль

Задачи для самостоятельного решения

1. Вычислите тепловой .эффект реакции восстановления одного моля Fе2О3 металлическим алюминием.

Ответ: -817,7 кДж.

2. Газообразный этиловый спирт С2H5ОН можно получить при взаимодействии этилена C2H4,(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите ее тепловой эффект.

Ответ: -45,76 кДж.

Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (+ 2) водородом исходя из следующих термохимических уравнений:

FeO (к) + СО (г) = Fe (к) + СО2 (г); ΔН = -13,18 кДж;

СО (г) –1/2O2 (г) = СО2 (г); ΔН = -283,0 кДж;

Н2 (г) + 1/2O2 (г) = Н20; ΔН = - 241,83кДж.

Ответ: -27,99 кДж.

3. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS2(г). Напишите термохимическое уравнение: этой реакции и вычислите тепловой эффект.

Ответ: + 65,57 кДж.

Напишите термохимическое уравнение реакции образования одного моля метана СН4(г)из оксида углерода СО(г) и водорода. Сколько теплоты выделится в результате этой реакции? Ответ: 206,1 кДж.

При взаимодействии газообразных метана и сероводорода образуются сероуглерод CS2(г) и водород. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите ее тепловой эффект.

Ответ: +230,43 кДж

4. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия?

Ответ: 79,82 кДж.

Вычислите теплоту образования метана исходя из следующих термохимических уравнений:

H2(г) + ½О2(г) = Н2О(ж); ΔН = -285,84 кДж;

С(к) + О2(г) = СО2(г); ΔН = -393,51 кДж;

СН4(г) + 2О2(г) = 2Н2О(ж) + СО2(г); ΔН = -890,31 кДж;

Ответ: — 74,88 кДж.

5. Напишите термохимическое уравнение реакции горения одного моля этилового спирта, в результате которой образуются пары воды и диоксида углерода. Вычислите энтальпию образования С2Н5ОН (ж), если известно, что при сгорании 11,5г. его выделилось 308,71 кДж теплоты.

Ответ: - 277,67 кДж.

6. Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением:

С6Н6 (ж) + 7½О2 (г) = 6СО2 (г) + 3Н2О (г); ΔН = ?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования бензола равна -33,9 кДж.

Ответ: 3135,58 кДж

7. Напишите термохимическое уравнение реакции горения одного моля 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.

8. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4NH3 (г) + ЗО2 (г) = 2N2 (г) + 6H2O (ж);

ΔН = — 1580,28 кДж.

Вычислите энтальпию образования NH3(г).

Ответ: - 46,19 кДж.

9. Энтальпия растворения безводного хлорида стронция SrCl2 равна - 47,70 кДж, а теплота растворения кристал­логидрата SrCl2*6Н2О равна +30,96 кДж. Вычислите теп­лоту гидратации SrCl2.

Ответ: -78,66 кДж.

10. Теплоты растворения сульфата меди CuSO4 и медного купороса CuSO4*5H2O соответственно равны — 66,11 кДж и + 11,72 кДж. Вычислите теплоту гидратации CuSO4.

Ответ: -77,83 кДж.

При получении одного грамм-эквивалента гидроксида кальция из СаО(к) и Н2О(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция.

Ответ: — 635,6 кДж.

Теплота сгорания топлива.

Тепловой эффект реакции окисления кислородоэлементов, входящих в состав вещества, до образования высших оксидов называется теплотой образования этого вещества ΔН0сг. Расчет теплоты сгорания проводится с использованием закона Гесса. Например, теплота сгорания этанола при 298 К;

С2Н5ОН (ж) + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О (г)

можно рассчитать по уравнению:

ΔН0сг С2Н5ОН = 2ΔН0СО2 + 3ΔН0Н2О – 2ΔН0С2Н5ОН

Подставляя данные ΔН0 из приложения 1 получаем теплоту сгорания этанола:

ΔН0сг С2Н5ОН = 2(-393,5) + 3(-241,8)- (-277,7) = -1237,7 кДж/моль.

В технических расчетах используют удельную теплоту сгорания Qт, которая равна количеству теплоты, выделяющейся при сгорании 1кг жидкого или твердого вещества и 1 м3

Наши рекомендации