Энергетические эффекты химических процессов Примеры решения задач

Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий POCl₃ и HCl. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж тепла. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указаны их агрегатные состояния, а также численные значения тепловых эффектов, называются термохимическими уравнениями. В термохимических уравнениях, как правило, указываются значения тепловых эффектов при P=const, равные изменению энтальпии системы _rH (подстрочный индекс “r” между символами  и H обозначает изменение энтальпии реакции). Значение _rH приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой. Если символ _rH следует сразу за конкретной реакцией, к которой он относится, то подстрочный индекс “r” в _rH опускается. Приняты следующие сокращения в обозначении агрегатного состояния веществ: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое. Изменение энтальпии в экзотермических реакциях имеет отрицательный знак [–_rH], т.е. система выделяет часть своей внутренней энергии в окружающую среду в виде определенного количества теплоты. Изменение энтальпии в эндотермической реакции имеет положи­тельный знак [+_rH ], т.к. система увеличивает запас своей внутренней энергии за счет приобретения энергии из окружающей среды.

Учитывая вышесказанное, составляем термохимическое уравнение указанной в примере реакции:

PCl_5(K)+H₂O_(Г)  POCl_3(Ж)+2HCl_(Г), H = –111,4кДж.

Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением:

C₂H_6(Г) + 3,5O_2(Г) = 2CO_2(Г) + 3H₂O_(Ж), H° = –1559,87кДж.

Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования CO_2(Г) и H₂O_(Ж) (табл. П2).

Решение. Теплотой (энтальпией) образования химического соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относятся к стандартному состоянию. За стандартное состояние принимается состояние чистого вещества, находящегося при данной температуре под давлением в 1 атм (101325 Па) в виде наиболее стабильной в этих условиях модификации. Температуру чаще всего берут 298,15 К (25 °С). В этом случае стандартная энтальпия образования вещества обозначается символом _fH° (298К). Так как тепловой эффект в первом приближении мало зависит от температуры, допускается индекс температуры опускать.

Таким образом, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:

2C_{(ГРАФИТ)} + 3H_2(Г) = C₂H_6(Г), H ° =?

исходя из следующих данных:

а) C₂H_6(Г)+3,5 O_2(Г) = 2 CO_2(Г) + 3 H₂O_(Ж), H° = –1559,87 кДж;

б) C_{(графит)}+O_2(Г) = CO_2(Г), H° = –393,51 кДж;

в) H_2(Г) + 0,5O_2(Г) = H₂O_(Ж), H° = –285,84 кДж.

Закон Гесса позволяет обращаться с термохимическими уравнениями так же, как с алгебраическими. Для получения результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) – на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):

C₂H₆ + 3,5 O₂ – 2C – 2O₂ – 3H₂ – 1,5O₂ = 2CO₂ + 3H₂O – 2CO₂ – 3H₂O;

_rH° = –1559,87 – 2(–393,51) – 3(–285,84) = 84,67 кДж;

C₂H_6(Г) = 2C_{(графит)} + 2H_2(Г) , H° =84,67 кДж.

Так как теплота образования вещества равна теплоте его разложения, взятой с обратным знаком, следовательно, _fH °(C₂H_6(Г))= –84,67 кДж/моль.

К аналогичному результату приходим, решая задачу с применением 1-го следствия из закона Гесса:

_rH° = [2моль_fH°(CO₂)+3 моль_fH°(H₂O)] – [1моль_fH°(C₂H₆) + + 3,5 моль_fH°(O₂)].

Учитывая, что энтальпии образования всех простых веществ в их стандартных состояниях принимают равными нулю,

–1559,87 кДж = 2 моль(–393,51) кДж/моль + 3 моль (–285,84) кДж/моль – 1 моль _fH°(C₂H₆) –3,5 моль 0 кДж/моль.

Отсюда выражаем искомую величину, т.е. _fH°(C₂H₆):

_fH°(C₂H₆) = –84,67 кДж /1 моль = –84,67 кДж/моль.

Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением

C₂H₅OH_(Ж) + 3O_2(Г) = 2CO_2(Г) + 3H₂O_(Ж), H°=?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что молярная теплота парообразования C₂H₅OH_(Ж) равна 42,36 кДж/моль и известны теплоты образования: C₂H₅OH_(Г); CO_2(Г); H₂O_(Ж) (табл. П2).

Решение. Для определения _rH° необходимо знать энтальпию образования C₂H₅OH_(Ж), которую находим из данных:

C₂H₅OH_(Ж) = C₂H₅OH_(Г), H° =42,36 кДж;

_rH° =1 моль_fH° (C₂H₅OH_(Г)) – 1 моль_fH°(C₂H₅OH_(Ж));

42,36 кДж = 1 моль(–235,31) кДж/моль – 1 моль_fH°(C₂H₅OH_(Ж));

H°(C₂H₅OH_(Ж)) = –277,67 кДж/моль.

Затем вычисляем _rH° , применяя 1-е следствие из закона Гесса:

_rH° = [2 моль_fH° (CO₂) + 3 моль_fH° (H₂O)] – [1 моль_fH° (C₂H₅OH) +3 моль_fH°(O₂)]= 2 моль(–393,51) кДж/моль + 3 моль (–285,84) кДж/моль – 1 моль(–277,67) кДж/моль – 3 моль 0 кДж/моль = –1366,87 кДж.