ГЛАВА III

ЭНЕРГЕТИКА И СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

§ 16 Термохимические уравнения

• Какие реакции называют экзотермическим и? эндотермическими?

Вы знаете, что в химических реакциях может выделяться или поглощаться теплота. Количество этой теплоты называют тепловым эффектом реакции. Уравнения, в которых указывают тепловой эффект, называют

термохимическими уравнениями:

2H2(г.) + O2(г.) = 2H2O (г.) + 484 кДж/моль

В термохимическом уравнении обязательно обозначают агрегатные со-

стояния реагентов и продуктов, потому что от них зависит тепловой эф- фект.

Как и в алгебраическом уравнении, все коэффициенты в термохимическом уравнении можно делить или умножать на одно и то же число:

H2(г.) + 1/2 O2(г.) = H2O (г.) + 242 кДж/моль

Тепловой эффект реакции обозначают Qr и измеряют в килоджоулях на моль. Количество теплоты, которое выделяется в реакции, связано с её тепловым эффектом q через количество вещества n, перед которым в термохимическом уравнении стоит коэффициент 1:

q = n · Qr

Какое количество теплоты выделится при сгорании 1 моль водорода? 0,1 моль водорода?

Тепловой эффект реакции можно определить, если измерить количество теплоты, которое выделится при реакции известного количества вещества.

Выполните задания 1 и 2 после параграфа.

Суммарный тепловой эффект процесса зависит от начального и конечного продукта, но не зависит от порядка проведения процесса. Поэтому термохимические уравнения последовательных реакций можно складывать. Например, если есть термохимические уравнения

72

4Li + O2 = 2Li2O + 1198 кДж/моль Li2O + H2O = 2LiOH + 371 кДж/моль 2H2 + O2 = 2H2O(ж.) + 572 кДж/моль

и нужно записать термохимическое уравнение реакции

2Li + 2H2O = 2LiOH + H2 ,

нужно скомпоновать первые три уравнения так, чтобы получить четвёртое. Для этого нужно

•первое уравнение разделить пополам;

•прибавить второе уравнение;

•вычесть разделённое пополам третье уравнение:

2Li + 1/2 O2 = Li2O + 599 кДж/моль

+Li2O + H2O = 2LiOH + 371 кДж/моль

–H2 – 1/2 O2 = – H2O(ж.) – 286 кДж/моль

2Li + 1/2 O2 + Li2O + H2O – H2 – 1/2 O2 =

= Li2O + 2LiOH – H2O + (599 + 371 – 286) кДж/моль

Я

2Li + 2H2O = 2LiOH + H2 + 684 кДж/моль

Выполните задание 3 после параграфа.

Тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции, взятому с обратным знаком. Например, при образовании 1 моль Ag2O из простых веществ выделяется 31 кДж теплоты:

2Ag + 1/2O2 = Ag2O + 31 кДж/моль

Это значит, что для разложения 1 моль Ag2O на простые вещества нужно затратить 31 кДж.

Энергетические эффекты химических реакций довольно велики. Например, можно рассчитать, сколько воды комнатной температуры можно нагреть до температуры кипения (на DT = 80 °С) за счёт сжигания 2 г (1 моль) водорода. Учитывая, что теплоёмкость воды с = 4,2 кДж / (кг Ч °С),

и воспользовавшись формулой

q = c Ч m Ч T,

получаем, что

73

Однако в реальности нам никогда не удастся провести процесс так, чтобы вся выделившаяся при сгорании водорода теплота пошла на нагревание воды. Часть её рассеется, и только часть пойдёт на нагревание.

Эффективность превращения энергии оценивают величиной коэффициента полезного действия (КПД). Например, при КПД = 40 % (практи-

чески недостижим для газовых горелок) только 40 % выделившейся при горении теплоты пойдёт на нагревание. А это значит, что при сжигании 2 г водорода удастся нагреть до кипения не 0,72 кг, а 0,72 Ч 0,4 = 0,29 кг.

При расчёте расхода энергии всегда нужно учитывать КПД энергетических установок.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (КПД) есть отношение затра-

ченной энергии к энергии направленной на достижение полезного ре- зультата.

Тепловой эффект реакции. Термохимическое уравнение. Коэффициент полезного действия (КПД)

1.При образовании 0,2 моль H3PO4 из воды и P2O5 выделилось 42,8 кДж теплоты. Рассчитайте тепловой эффект гидратации фосфорной кислоты.

2.При сгорании 10 г магния в избытке кислорода выделилось 351 кДж теплоты. Запишите термохимическое уравнение горения магния.

3.Составьте термохимическое уравнение реакции

CaCO3 = CaO + CO2

по термохимическим уравнениям

CaO + H2O = Ca(OH)2 + 64 кДж/моль Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O + 111 кДж/моль

4. Сколько тепла выделится при взаимодействии 3,00 г алюминия со стехиометрическим количеством серы, если термохимическое уравнение этой реакции таково: 2Al + 3S = 2Al2S3 + 509 кДж/моль.

4. При сгорании стехиометрической термитной смеси, содержащей 8,0 г алюминия, выделилось 133 кДж теплоты. Запишите термохимическое уравнение этой реакции.

5. Какой объём метана нужен, чтобы нагреть на 5 °C помещение размерами 3 3 4 м? Теплота сгорания метана — 802 кДж/моль, а теплоёмкость воздуха —

900Дж/(°С Ч м3).

6.Озон (O3) в промышленности получают из обычного кислорода в специальных озонаторах. Если в качестве сырья использовать воздух, то на получение

74

1 кг озона затрачивается не менее 10 кВт Ч ч электроэнергии. Рассчитайте коэффи-

циент полезного действия (КПД) озонатора, если известно, что для образования 1 моль озона из кислорода нужно затратить 143 кДж энергии. Самостоятельно пересчитайте киловатт-часы в килоджоули.

7. Какую массу угля нужно сжечь для разложения 1 кг известняка согласно реакции

CaCO3 = CaO + CO2 – 175 кДж,

если КПД печи для обжига не превышает 10 %, а теплота сгорания угля составляет 393 кДж/моль?

8. Домашний эксперимент. Определение КПД электронагревательных приборов. Например, при нагревании чайника на электрической плите часть тепла рассеивается, что снижает КПД процесса. Чем ниже КПД, тем больше энергии теряется впустую.

Ваша задача — сравнить КПД электрической плиты и электрического чайника. Мощность P конфорок плиты и мощность чайника всегда указывают в документации к ним. Чтобы узнать потраченную тепловую энергию q нужно эту мощность умножить на время работы прибора t:

qt = P Ч t.

Чтобы узнать, какая энергия пошла на достижение полезного результата нужно нагреть 1 кг воды на определённую температуру (проще всего — с комнатной температуры до температуры кипения) и определить полезную энергию по формуле

qu = c Ч m Ч T,

где c — теплоёмкость воды (4200 Дж/(кг Ч °С)), m — её масса, а T — изменение

температуры при нагревании.

2) Определение КПД газовой плиты. Его можно определить так же, как КПД электронагревательных приборов, но затраченную энергию рассчитывать исходя из количества сгоревшего газа и термохимического уравнения его сгорания:

CH4(г.) + 2O2(г.) = CO2(г.) + 2H2O(г.) + 802 кДж/моль.

Чтобы узнать количество сгоревшего метана, нужно знать его объём. Скорость истекания газа из конфорки чаще всего указана в документации к плите.

Я могу рассчитать сколько энергии выделится или поглотится в химической

реакции зная её термохимическое уравнение.

75