Тема 2. Энергетика химических процессов

Пример 1. Определите количество теплоты, выделяющееся при гашении 100 кг извести водой при 25 ⁰С, если известны стандартные теплоты образования веществ, участвующих в химической реакции:

Н⁰₂₉₈,CаO _(тв) = –635,1 кДж/ моль;

Н⁰₂₉₈,Н₂О_(ж)= –285,84 кДж/моль;

Н⁰₂₉₈,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 коэффициентов в уравнении реакции. Для данной реакции:

H⁰₂₉₈,реакции = Н⁰₂₉₈,Cа(ОН)₂ – Н⁰₂₉₈,CаО_(тв) – Н⁰₂₉₈, H₂O_(ж);

Н⁰₂₉₈,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 выделяется 65260 кДж.

М(СаО) = 56 г/моль =56 кг/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) + 3/2О₂ = 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) + 3/2O₂ = 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

H⁰₂₉₈, кДж/моль –46,19 –92,3 –315,39

S⁰₂₉₈, Дж/моль∙К 192,5 186,7 94,56.

Решение: Изменение энергии Гиббса в химической реакции при температуре Т можно вычислить по уравнению G = H – TS. Тепловой эффект химической реакции Н⁰₂₉₈ определяем по первому следствию из закона Гесса:

Н⁰₂₉₈ = Н⁰₂₉₈,NH₄Сl_(тв) – Н⁰₂₉₈,NH_{3 (г)} – H⁰₂₉₈,HСl_(г)=

= –315,39 – ( –46,19 + –92,3) = –176,9 кДж.

Изменение энтропии в химической реакции:

S⁰₂₉₈ = 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(T= 298 K):

G⁰₂₉₈ = H⁰₂₉₈ – TS⁰₂₉₈

G⁰₂₉₈ = –176,9 – 298  284,64  10^-3 = –92,08 кДж;

G⁰₂₉₈ = –92,08 кДж; G⁰₂₉₈ меньше нуля, cледовательно в стандартных условиях данная реакция возможна.

Задания для самостоятельного выполнения

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

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

1) СН₃СООН(ж) + 2О₂ = 2СО₂(г) + 2Н₂О(ж); Н = –871,54 кДж;

2) С(графит) + О₂ = СО₂(г); Н = –393,5 кДж;

3) Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О(ж); Н = –285,8 кДж.

Ответ: –487,06 кДж.

48. Энтальпия растворения сульфата меди равна –66,5 кДж, а энтальпия гидратации: CuSO₄(кр) + 5Н₂О(ж) = CuSO₄5Н₂О(кр), Н⁰₂₉₈= –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%. (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%? (При расчётах учесть, что удельные теплоты сгорания жира, белка и углеводов составляют соответственно 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); Н = –2,85 кДж?

Вывод сделайте на основании качественного изменения энтропии. Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ определите G⁰₂₉₈ этой реакции. Ответ: 19,91 кДж.

52. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции:

СО₂(г) + 4Н₂(г) = СН₄(г) + 2Н₂O(ж).

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

53. При какой температуре наступит равновесие системы

4НСl(г) + О₂(г) = 2Н₂О(г) + 2Сl₂(г); Н = –114,2 кДж?

Что в этой системе является более сильным окислителем: хлор или кислород? Ответ: 891 K.

54. Определить S⁰₂₉₈ системы Н₂(г) + S(к) = Н₂S(г). Ответ: 43 Дж/моль К.

55. Рассчитайте S⁰₂₉₈ реакции разложения бертолетовой соли с образованием хлорида калия и кислорода, если S⁰₂₉₈(KClO₃) = 142,97 Дж/моль∙К, S⁰₂₉₈(KCl) = 82,68 Дж/моль∙К. Ответ: 494,50 Дж/моль∙К.

56. Вычислите Н⁰₂₉₈, S⁰₂₉₈, G⁰₂₉₈ для процесса

MgCO₃(кр) = MgO (кр) + СО₂(г).

Ответ: 101,46 кДж/моль; 174,9 Дж/моль∙К; 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) + 3Н₂(г) = Fe(к) + 3Н₂О(г), Н⁰₂₉₈ = 96,61 кДж.

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии S⁰₂₉₈ = 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 G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

4NH₃(г) + 5О₂(г) = 4NO(г) + 6Н₂О(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.