Примеры решения задач
При решении задач этого раздела следует пользоваться табл. I приложения Б.
Пример 3.1. Вычислить тепловой эффект и написать термохимическое уравнение реакции горения ацетилена, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 10 л ацетилена (н.у.)?
Решение. Реакция горения ацетилена протекает по уравнению
С2Н2 (г) + 5½О2 (г) = 2СО2 (г) + Н2О (г).
Пользуясь следствием из закона Гесса и справочными данными из табл.I, вычисляем тепловой эффект реакции:
DH0х.р.
= (2
+
)
− (
+
5½
)
DH0х.р. = [2(-393,5) + (-241,8)] − (226,8 + 5½ ∙ 0) = -1255,6 кДж.
Термохимическими называются уравнения химических реакций, в которых указано изменение энтальпии. Изменение энтальпии (тепловой эффект) записывают в правой части уравнения после запятой.
Термохимическое уравнение реакции горения ацетилена имеет вид:
С2Н2 (г) + 5½О2 (г) = 2СО2 (г) + Н2О (г), DH0х.р. = –1255,6 кДж.
Тепловой эффект обычно относят к одному молю вещества. Следовательно, при сжигании 1 моль С2Н2 выделяется 1255,6 кДж. Однако по условию задачи сжигается 10 л ацетилена, что составляет 10 / 22,4 = 0,446 моль С2Н2, где 22,4 л/моль – мольный объем любого газа при нормальных условиях. Таким образом, при сгорании 0,446 моль (10 л) С2Н2 выделится 0,446×(1255,6) = 560 кДж теплоты.
Пример 3.2. Реакция идет по уравнению Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3.
При восстановлении 48 г Fe2O3 выделяется 256,1 кДж теплоты. Вычислить тепловой эффект реакции и стандартную энтальпию образования Fe2O3.
Решение. Число молей Fe2O3, содержащихся в 48 г Fe2O3, составляет 48 / 160 = 0,3 моль, где 160 г/моль – молярная масса Fe2O3. Так как тепловой эффект относят к 1 моль вещества, то тепловой эффект данной реакции равен –256,1 / 0,3 = –853,7 кДж. Запишем термохимическое уравнение этой реакции:
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3, DH0х.р.= –853,8 кДж/
Формула для расчета теплового эффекта данной реакции имеет вид
DH0х.р.=
(2
+
)
– (
+ 2
),
отсюда находим
=
2
+
– 2
–
.
После подстановки справочных данных из табл.Iполучаем:
= 2
×
0 – 1676 – 2
×
0 + 853,8 =
–822,2 кДж/моль.
Таким образом, тепловой эффект реакции равен –853,8 кДж, а составляет –822,2 кДж/моль.
Пример 3.3. Исходя из термохимических уравнений
Н2
(г)
+ О2
(г) = Н2О2
(ж),
=
–187 кДж; (1)
Н2О2
(ж) + Н2
(г) = 2Н2О
(г),
= –297 кДж;
(2)
Н2О
(г) = Н2О
(ж),
=
– 44 кДж,
(3)
рассчитать значение стандартной энтальпии реакции образования Н2О (ж).
Решение.
Запишем
уравнение реакции, тепловой эффект
которой необходимо определить: Н2
(г)
+
½О2
(г) = Н2О
(ж),
–?
(4)
В уравнения (1), (2), (3) входят Н2О2 (ж) и Н2О (г), которые не входят в уравнение (4). Чтобы исключить их из уравнений (1), (2), (3), умножим уравнение (3) на 2 и сложим все три уравнения:
Н2 (г) + О2 (г) + Н2О2 (ж)+ Н2 (г) + 2Н2О (г) = Н2О2 (ж) + 2Н2О (г) + 2Н2О (ж). (5)
После преобразования уравнения (5) и деления его на 2 получаем искомое уравнение (4). Аналогичные действия проделаем с тепловыми эффектами:
.=
В результате
получаем
Дж;
т.е. энтальпия
образования Н2О
(ж).
= –286 кДж/моль.
Пример 3.4. В каком направлении будет протекать реакция при стандартных условиях СН4 (г) + СО2 (г) ↔ 2СО (г) + 2Н2 (г)
Решение. Направление протекания химической реакции определяет энергия Гиббса (∆G). Изменение энергии Гиббса в результате химической реакции равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Формула для расчета изменение энергии Гиббса изучаемой реакции имеет вид:
Значения
берем из табл. 1 приложения и получаем:
[2
∙ (-137,1) + 2 ∙ 0] − [(-50,8) + (-394,4)] = +171 кДж.
При р=const, T=constреакция самопроизвольно протекает в том направлении, которому отвечает убыль энергии Гиббса. Если ∆G < 0, то реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении. Если ∆G > 0, то самопроизвольное протекание процесса в прямом направлении невозможно. Если ∆G = 0, то реакция может протекать как в прямом направлении, так и в обратном, и система находится в состоянии равновесия.
Так как ∆G0х.р = +171 кДж, т.е. > 0, то самопроизвольное протекание данной реакции в прямом направлении в стандартных условиях невозможно.
Пример 3.5. Определить изменение энтропии в стандартных условиях для реакции С (графит) + 2Н2 (г) = СН4 (г)
Решение. Изменение энтропии системы в результате протекания химической реакции (∆S) (энтропия реакции) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:
