Термодинамика Учебное пособие

РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Задача 1. Определить изменение энтальпии химической реакции:

2С2Н5ОН(ж) → С2Н5 – О – С2Н5(ж) + Н2О(ж),

используя энтальпии сгорания веществ:

Н°сгор (С2Н5ОН(ж)) = –1370,00 кДж/моль;

Н°сгор (С2Н5ОС2Н5 (ж)) = –2720,04 кДж/моль; Н°сгор (Н2О(ж)) = 0 кДж/моль.

Решение

Поскольку даны энтальпии сгорания реагентов и продуктов, то используя второе следствие из закона Гесса, запишем:

Н°р-я = ∑ΔН°сгор. реагентов – ∑ΔН°сгор. продуктов.

Применительно к этой реакции:

Н°р-я = 2ΔН°сгорС2Н5ОН(ж) – Н°сгорС2Н5ОС2Н5(ж) = 2·(–1370,00) – (–2720,04) = –2740,00 + 2720,04 = –19,96 кДж/моль.

Ответ: Н°р-я = –19,96 кДж/моль.

Задача 2. Определить стандартную энтальпию образования оксида меди (II) CuO(к), используя стандартные энтальпии образования:

1)3CuO(к) + 2NH3(г) = 3Cu(к) + N2(г) + 3H2O(ж), ΔH1° = = –299,53 кДж·моль-1

2)1/2N2(г) + 3/2H2(г) = NH3(г), ΔH2° = –46,19 кДж·моль-1;

3)H2(г) + 1/2О2(г) = H2О(ж), ΔH3° = –285,838 кДж·моль-1.

Решение

Поскольку необходимо определить стандартную энтальпию образования оксида меди (II), то используя первое следствие из закона Гесса запишем:

Н°р-ии = ∑ΔН°обр. продуктов – ∑ΔН°обр. реагентов.

Применительно к 1-ой реакции:

Н°р-ии = 3ΔН°обрCu(к) + Н°обрN2(г) + 3ΔН°обрН2О(ж) – (3ΔН°обрCuО(к) –

2ΔН°обрNH3(г)).

11

Учитывая, что в термохимии энтальпии образования простых веществ азота N2(г) и меди Cu(к) приняты равными нулю и раскрыв скобки, получаем следующее уравнение:

Н°р-я = 3ΔН°обрН2О(ж) – 3ΔН°обрCuО(к) – 2ΔН°обрNH3(г).

Переносим в левую часть уравнения Н°обрCuО(к) с обратным знаком и получаем:

Подставим числовые значения указанных параметров:

Ответ: Н0обр(CuО(к)) = –155,20 кДж·моль-1.

Задача 3. Рассчитать калорийность хлеба массой 450 г, если его стограммовый кусочек содержит 7,4 г белков, 57,1 г углеводов и 1,2 г жиров. Коэффициенты калорийности брать по нижней границе.

Решение

1. В начале расчетов найдем массу белков (mб), углеводов (mу) и жиров (mж) в 450 г хлеба:

2. Рассчитать калорийность булки хлеба массой 450 г:

К= (mб ·16,5 + mу · 16,5 + mж · 37,7) кДж;

К= 33,3 · 16,5 + 256,95 · 16,5 + 5,4 · 37,7 = 4992,705 кДж.

Ответ: К = 4992,705 кДж.

12

Задача 4. Рассчитать тепловой эффект реакции согласно табличным значениям стандартных энтальпий образования для этих соединений

(NH4Cl (г)+ 314,4) – (HCl (г) + 92,36 + NH3 (г) + 45,8) = 176,24 кДж.

Qр = 176,24 кДж., т.е. для экзотермической реакции H°298 = –176,24 кДж.

ВсоответствиисформулировкойпервогоследствияиззаконаГесса

H°298 = –314,4 – (–92,36 – 45,8) = –176,24 кДж.

Тогда термохимическое уравнение можно записать так:

HCl (г) + NH3 (г) = + NH4Cl (г) + 176,24 кДж.

Ответ: –176,24 кДж

Задача 5. Рассчитать тепловой эффект образования мочевины из аммиака и оксида углерода – одного из важнейших продуктов жизнедеятельности:

2NH3 (г) + CO2 (г) = NH2 – CO – NH2 + H2O

Согласно табличным данным:

Согласно первому следствию из закона Гесса

Hреакции = (– 332,98 – 241,98) – (–2×45,8 – 392,78) = –89,58 кДж.

Тогда тепловой эффект реакции +89,58 кДж. Реакция экзотермическая.

Ответ: –89,58 кДж

Задача 6. Рассчитать тепловой эффект реакции

4P (к) + 5O2 =P4H10 (аморф.).

13

Согласно табличным данным:

H°298 (P (к)) = 17,38;H°298 (O2) = 0;

H°298 (P4H10 (аморф.)) = –3044,6.

Тогда

H°298 = –3044,6 – (–4×17,38) = –2975,08 кДж. –2975,1 кДж.

В термохимическом уравнении:

4P(к) + 5O2 = P4H10 (аморф.) + 2975,1 кДж.

Ответ: –2975,1 кДж

Задача 7. Рассчитать изменение энтальпии в системе в процессе усвоения в организме человека сахарозы, который сводится к ее окислению:

C12H22O11 + 11O2 = 12CO2(г) + 11H2O (ж).

H2980 = (–12×293,777 – 11×286,021) + 2220,867 = –5650,69 кДж. Mr = 342,3, удельная калорийность равна:

5650,69×342,3 = 16,51 кДж/моль.

Суточная потребность человека в энергии составляет в среднем:

1)при легкой работе в сидячем положении 8400–11700 кДж

(2000–2800 кКал.);

2)при умеренной и напряженной мышечной работе – 12500– 15100 кДж (3000–3600 кКал.);

3)при тяжелом физическом труде – 16700-20900 кДж (4000– 5000 кКал.);

4)) при особо тяжелом труде – до 30100 кДж (7200 кКал.).

Ответ: –5650,69 кДж

14

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Рассчитать коэффициент калорийности 200 г мяса кролика в ккал на грамм, если содержание на 100 г составляет: белков –

21,1 г и жиров – 11 г.

2. Определить коэффициент калорийности 150 г мяса баранины в ккал на грамм, если содержание на 100 г составляет: белков

– 15,6 г, жиров – 16,3 г.

3. Рассчитать коэффициент калорийности 200 г мяса говядины в ккал на грамм, если содержание на 100 г составляет: белков

– 18,6 г, жиров – 16 г.

4. Определить коэффициент калорийности 500 г мяса птицы в ккал на грамм, если содержание на 100 г составляет: белков –

18,2 г, жиров – 16 г.

5. Определить коэффициент калорийности 5 куриных яиц в ккал на грамм, если содержание на 100 г составляет: белков – 12,7 г.

6. Определить коэффициент калорийности 200 г сливочного мороженого в ккал на грамм, если содержание на 100 г составляет: белков – 3,3 г, жиров – 10 г и углеводов – 19,8 г.

7. В спортзале Вы сожгли 300 Ккал. Потом Вы съели яблоко, в котором 50 ккал, а потом еще булочку, энергетическая ценность которой 315 кДж. Каков энергетический запас, накопленный Вашим организмом?

8. Определить коэффициент калорийности для сахарозы С12Н22О11 в ккал/г, если стандартная энтальпия сгорания этого углевода равна – 5646,42 кДж/моль.

9. Проверить, нет ли угрозы, что оксид азота (I), применяемый в медицине в качестве наркоза, будет окисляться кислородом воздуха до токсичного оксида азота (II), если ΔG° (N2О(г)) =

104,0 кДж/моль; ΔG° (О2(г)) = 0 кДж/моль; ΔG° (NO(г)) = 87,0 кДж/моль.

10.Рассчитать теплоту биохимической реакции 2Н2О2(ж) = 2Н2О(ж) + О2(г), если Н°обр (Н2О2) = –187,4 кДж/моль, Н°обр (Н2О) = –285,8 кДж/моль и при этом образовалось 5,6 дм3 (н.у.) кислорода. Дать анализ полученного результата.

15

11.Найти на этикетке данные о калорийности продукта. С помощью таблицы подсчитать, сколько и как нужно двигаться, чтобы сжечь энергию, полученную вами от порции данного продукта.

Таблица

12. Вычислить тепловой эффект реакции:

СН3 – СООН + НО – С2Н5 → СН3 – СООС2Н5 + Н2О(ж), используя данные

∆Н°сгор.(СН3–СООН) = –874,58 кДж/моль; ∆Н°сгор.(С2Н5–ОН) = –1370,68 кДж/моль;

∆Н°сгор.(СН3–СООС2Н5) = –2246,39 кДж/моль.

13.Рассчитать калорийность порции жареного картофеля массой 300 г, если 100 г этого блюда содержит 2,8 г белков, 9,5 г жиров, 23,4 г углеводов. Коэффициенты калорийности брать по верхней границе.

16

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Расположите в порядке усложнения системы а) органелла б) клетка в) ткань

г) орган

Ответ: а, б, в, г.

2.Для гетерогенных систем характерно наличие границ …

3.Термодинамическая система, обменивающаяся со средой веществом и энергией называется …

4.Термодинамическая система, обменивающаяся со средой только энергией называется …

5.Изотермическим называется процесс, протекающий при постоянной …

6.Изобарные процессы протекают при постоянном …

7.Изохорные процессы протекают при постоянном …

8.Уравнение Клайперона – Менделеева описывает состояние идеального …

9.Математическому выражению уравнение Клайперона – Менделеева соответствует

а) рv= nСТ

+б) pV = nRT в) Pv= nct г) Pv= RT

10.К интенсивным термодинамическим параметрам относятся а) объем

+б) температура в) энтропия

11.К экстенсивным термодинамическим параметрам относятся

+а) масса

+б) объем в) температура

+г) энтропия

17

12.Живой организм относится к системе …

13.С помощью термодинамических параметров описывают процессы, связанные с взаимным превращением

а) разных видов энергий б) работы и внутренней энергии

+в) теплоты, работы и различных видов энергий г) теплоты и работы

14.К термодинамическим параметрам относятся

+а) масса б) химический потенциал

+в) объем

15.Энергия это

а) тепловой эффект реакции б) свойство энергии

+в) мера движения материи г) мера работы

16.Сосуд с водой относится к системе а) закрытой

б) изолированной + в) открытой г) адиабатической

17.Изолированная система с окружающей средой а) обменивается и веществом и энергией

+б) не обменивается ни веществом, ни энергией в) обменивается веществом, но не энергией г) обменивается энергией, но не веществом

18.Функциями состояния называются а) все физико-химические свойства системы

б) параметры состояния, которые зависят от пути перехода из одного состояния в другое

+ в) параметры состояния, зависящие от начального и конечного состояния системы и не зависят от пути перехода

г) любой параметр системы

18

19.Температура это

+а) интенсивный параметр состояния системы б) экстенсивный параметр состояния системы в) мера кинетической энергии молекул вещества г) характеристическая функция

20.Величины, входящие в математическое выражение первого начала термодинамики выражаются в

а) секундах б) кулонах + в) джоулях г) паскалях

21.Стандартный тепловой эффект обозначается а) А

б) Uст

+в) H°298

г) Hст

22.Стандартные теплоты образования простых веществ равны …

+а) 0

+б) нулю

23.Кипение воды относится к процессу а) адиабатическому б) изотермическому в) изохорическому

+г) изобарно-изотермическому

24.Энтальпией системы называется

а) ее полная энергия б) параметр состояния системы, изменение которого зависит

от пути процесса + в) параметр состояния системы, изменение которого не

зависит от пути процесса, а зависит от начального и конечного состояния системы

г) энергия системы при постоянном объеме

25. Энтальпия при эндотермическом процессе а) H = 0

+ б) H > 0

19

в) H < 0 г) Qp < 0

26. При экзотермическом процессе

а) Qp = 0 б) Qp < 0 + в) Qp > 0

27. При эндотермическом процессе

а) Qp = 0 + б) Qp < 0 в) Qp > 0

28. Первомуначалу термодинамики соотвествует формула а) Q = H + A

+ б) U = Q – A

в) Q = U – A

г) U = Q + p V

29.При изохорном процессе а) QV = – U

+б) QV = ΔU

+в) QV = – U г) QV = H

30.Сумма U + pV выражает а) энтропию

+б) энтальпию в) теплоту г) работу

31. Тепловой эффект химической реакции при изобарном процессе равен

а) Qp = ΔH

б) Qp = ΔU + pΔV + в) Qp = –ΔH

г) Qp = Qv

32. Если при химической реакции происходит увеличение числа молей газообразных продуктов, то

+ а) Qp < Qv

20