2. Общие закономерности химических процессов
2.1. Энергетика химических процессов (термохимические расчеты)
Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называют термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называют экзотермическими поглощением теплоты — эндотермическими.
Тепловой эффект химических реакций, протекающих при р, Т = const, называют энтальпией и обозначают ∆H. Для экзотермических реакций ∆H < 0, для эндотермических реакций ∆H > 0.
Термохимические расчеты основаны на законе Гесса (1840), который гласит, что тепловой эффект реакции зависит от природы реагирующих веществ, начального и конечного состояния системы и не зависит от пути процесса.
Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (∆H х.р.) равен сумме теплот образования ∆H обр. продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции
∆H
х.р.= ∑∆H
- ∑∆H
(1)
Теплотой образования (энтальпией) данного соединения называют тепловой эффект реакции образования I моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при стандартных условиях, (250С (298 К) и 101,3 кПа) и обозначают через ∆H 0298. Стандартные теплоты образования (этальпии) ∆H 0298 (кДж/моль) некоторых веществ приведены в табл.3.
Пример 2.1.1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора с парами воды образуется жидкий РОС1з и хлороводород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.
Решение. В термохимическом уравнении указывается агрегатное состояние вещества (г - газообразное, ж - жидкое, к - кристаллическое) и числовое значение ∆H. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
РСl3( к) + Н2O(г) = РОС13(ж) + 2НС1(г); ∆H х.р = -111,4 кДж
Таблица 3
Стандартные теплоты образования (энтальпии)
∆H 0298 (кДж/моль) некоторых веществ
Вещество |
Состояние |
∆H 0298 |
Вещество |
Состояние |
∆H 0298 |
С2 Н2 CS2 NO C6 H6 C2H4 H2S NH3 CH4 C2 H6 HCl |
г г г г г г г г г г |
+226,75 +115,28 +90,37 +82,93 +52,28 -20,15 -46,19 -74,85 -84,67 -92,31 |
СО СНзОН С2Н5ОН Н2О Н2О NH4C1 СО2 Fe2О3 TiO2 Ca(OH)2 Аl2O3 |
г г г г ж к г к к к к |
-110,52 -201,17 -235,31 -241,83 -285,84 -315,39 -393,51 -822,10 -943,90 -986,50 -1669,80 |
Пример 2.1.2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением
С2Н6(г) + 3½ О2 = 2 СО2(г) + 3 Н2О (ж); ∆Н х.р = -1559,87 кДж.
Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО2(г) и Н2О (ж).
Решение Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то в дальнейшем индексы опускаются и тепловой эффект обозначается через ∆H0. Следует помнить, что теплота образования простых веществ равна 0. Итак, нужно вычислить теплоту образования СО2 исходя из термохимического уравнения
С2Н6(г) + 3½ О2 = 2 СО2(г) + 3 Н2О (ж); ∆Н0х.р. = -1559,87 кДж;
∆Н
= 2
+
3
-
;
-1559,87 = 2(-393,51) + 3(-285,84) - ;
Получим
= 1559, 87 –787,02 - 857,52 = - 84,67 кДж/моль
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ и задания
31. Вычислите количество теплоты, которое выделится при восстановлении Fe2Оз металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.
32. Газообразный этиловый спирт С2Н5ОН можно получить при взаимодействии этилена С2Н4 (г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислив ее тепловой эффект.
33. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:
FеО(к) + СO(г) = Fe(к) + СО2(г) ∆H = -13,18 кДж;
СО(г) + ½О2(г) = СО2(г) ∆H = -283,0 кДж;
Н2(г) + ½О2(г) = Н2О (г) ∆H = -241,83 кДж.
34. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS2(г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислив ее тепловой эффект
35. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО(г) и водородом, в результате которой образуются СН4(г) и Н2О (г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия?
36. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования NO? Вычислите теплоту образования NO, исходя из следующих термохимических уравнений:
4NH3 + 5О2 (г) = 4NO(r) + 6Н2О(ж) ∆H = -1168,80 кДж;
4NH3 + 3О2 (г) = 2N2(r) + 6Н2О(ж) ∆H = -1530,28 кДж.
37. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислите ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия?
38.Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании
165 л (н.у.) ацетилена С2Н2, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды?
39. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота. Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 44,8 л NO (н.у.) ?
40. 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 теплоту образования С2Н5ОН(ж).
41. Напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С2Н6(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите ∆Н реакции. Сколько теплоты выделится при сгорании 1м3 этана (н.у.) ?
42. Реакция горения аммиака выражается термохимическим
уравнением
4NНз(г) + ЗО2(г) = 2N2(r) + 6Н2O(ж) ∆H = -1530,28 кДж
Вычислите теплоту образования NНз (г).
43. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS.
44. При сгорании 1 л ацетилена (н.у) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования C2H2(г).
45. При получении молярной массы 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.