Дополнительно / Teplovue effektu i napravlenie himicheskih processov

41

42

12. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

ВЫЧИСЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ТЕПЛОТ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ И ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Расчет стандартной теплоты образования веществ

Пример. Вычислите стандартную теплоту образования этана, если известна теплота его сгорания: Носгор.= –1560 кДж/моль.

Решение. Напишем уравнение реакции таким образом, чтобы перед формулой этана стехиометрический коэффициент был равен 1:

Пример. Определите стандартную теплоту образования этилового спирта, если теплоты сгорания углерода, водорода и этилового спирта соответственно равны:

–393,51; –285,84; –1366,91 кДж/моль.

Решение. Стандартная теплота образования вещества равна теплоте реакции образования одного моля этого вещества из простых веществ при стандартных условиях.

Образование этилового спирта из простых веществ можно представить так: 2С + 3Н2 + 1/2О2 = С2Н5ОН. Углерод сгорает до СО2, водород – до Н2О, а этиловый спирт–до СО2 и Н2О. Следовательно, для определения стандартной теплоты образования C2H5ОH составим следующий цикл Гесса:

(1) + (2) + (3)

2С + 3Н2 + 1/2О2 = С2Н5ОН –277,6 кДж/моль

–393,51·2 –285,84·3 + 1366,91 = –277,6

Стандартная теплота образования этилового спирта равна:

Но298 = –277,6 кДж/моль.

Расчет теплового эффекта реакции по стандартным теплотам образования реагирующих веществ

Пример. Определите количество теплоты, выделяющееся при гашении

43

о

Н (Н2О(ж)) = –285,84.

Решение. Реакция гашения извести: СaO + H2О = Са(ОН)2. Тепловой эффект реакции равен

∆H?p = Σ∆H?обр.(прод.) – Σ∆H?обр.(исх..)

Нор. = Но (Са(ОН)2(к)) –[ Но (СаО(к))+ Но (Н2О(ж))] = –986,2+635,1 +285,84 = –65,3 кДж/моль.

Тепловой эффект реакции рассчитан на 1 моль СаО, т.е. на 56 г СаО. При гашении 100 кг СаО выделяется тепловая энергия:

х = (100 000·(–65,3)) /56 = –1,16·105 кДж.

Расчет теплового эффекта реакции по стандартным теплотам сгорания реагирующих веществ

Пример. Определите тепловой эффект реакции синтеза акриловой кислоты:

HC CH + СО+ Н2О(ж) → СН2=СН–СООН(ж),

если стандартные теплоты сгорания ацетилена, оксида углерода и акриловой кислоты соответственно равны (кДж/моль): –1299,63, –282,50 и –

1370,0.

Решение. Из закона Гесса следует, что тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции (ΔНосгор..н2о=0, так как Н2О – высший оксид);

∆H?p = Σ∆H?сгор.(исх.) – Σ∆H?сгор.(прод.)

Но = Носгор.(СН=СН) + Носгор.(СО) – Носгор. (СН2=СН–СООН(ж))=

–1299,63 – 282,50 + 1370,0 = –212,13 кДж/моль.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ГИББСА

Определение возможности протекания процесса по величине изменения энергии Гиббса.

Пример. Возможна ли следующая реакция в стандартных условиях:

t

SiО2 (к) + 2NaОH (p) = Na2SiО3 (к) + Н2О (ж)

44

если Gо(SiО2 (к)) = –803,75 кДж/моль; Gо (Na2SiО3 (к))= –1427,8 кДж/моль; Gо (NaОH(p)) = –419,5 кДж/моль; Gо (Н2О (ж)) = –237,5 кДж/моль?

Можно ли выпаривать щелочь в стеклянном сосуде? Решение. Изменение энергии Гиббса Gо298 реакции равно:

Gо = ΣGопрод. – ΣGоисх.;

Gо298 = (–1427,8 – 237,5) – (–803,75 –419,5·2)= –22,55 кДж;

Gо298 = –22,55 кДж (т. е. G<0), а следовательно, данная реакция возможна. Щелочь нельзя выпаривать в стеклянном сосуде, так как в состав стекла входит SiО2.

графику температуру, ниже которой указанная реакция в стандартных условиях может протекать самопроизвольно.

значения Н и S, то приведённая зависимость G =?(T) является уравнением прямой, наклон которой определяется знаком S. при S>0 прямая идет вниз, при S<0 – вверх.

Определим величину Н°298 (исходные данные берем из табл.1)

∆H?p = Σ∆H?обр.(прод.) – Σ∆H?обр.(исх..)

Н°298 = 2ΔН°обр.(H2O) – (2ΔН°обр.(H2) + 2ΔН°обр.(O2) = 2ΔН°обр.(H2O) = =2(-241,84) = –483,68 (кДж) (на 2 моля H2O)

Н°обр.(Н2О) = 0,5(–483,8) = –241,89 кДж/моль.<0

Следовательно, реакция экзотермическая.

Определим изменение энтропии данной реакции в стандартных условиях

S°298 (исходные данные берем из табл.1)

Sо = ΣSопрод. – ΣSоисх.:

S°298= 2S°298.(H2O) – [2S°298.(H2) + S° 298.(O2)]= 2·188,74 – (2·130.6 + 205) =

–98,6(Дж/ К) = –0,0986(кДж/ К) < 0, G =?(T) прямая идет вверх.

Определим изменение энергии Гиббса G°298 в стандартных условиях (исходные данные берем из табл.1):

Gо = ΣGопрод. – ΣGоисх.;

G°298 = 2 G°298.(H2O) – [2ΔG°298(H2) – G°298(O2)] = 2(–228,8) = –457,6 кДж.

45

Отрицательная величина G°298 свидетельствует о том, что в стандартных условиях реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении.

Построим график G°Т =f(Т):

Температура перехода ~4500 К

46

13.РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

ИВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

РЕКОМЕНДАЦИИ:

1.Внимательно изучить теоретический материал, используя конспекты лекций, данное учебное пособие и рекомендуемую литературу.

2.Проверить усвоение теории, ответив на контрольные вопросы, выполнив тестовые задания.

3.Разобрать примеры решения типовых задач.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГОГ РЕШЕНИЯ

Задачи

1.Вычислите стандартную теплоту образования бензола С6Н6 (ж), если известны теплоты сгорания водорода, углерода и бензола.

2.Определите стандартную теплоту образования сероуглерода CS2, если

3. Вычислите Но298 хлорида аммония, если для реакции

NH3(г) +НС1(г)= NH4CI (к)

Но298 = –176,93 кДж/моль.

4.Определите Но298 BiCl3(к), если Но298BiCl3(г) = –270,70 кДж/моль, а Но возгонки BiCl3(к) 113,39 кДж/моль.

5.При взаимодействии 5 г металлического натрия с водой выделяется 40,25 кДж теплоты, а при взаимодействии 10 г оксида натрия с водой выделяется

36,46 кДж теплоты. Рассчитайте Но298 Na20.

6.При растворении 16 г СаС2 в воде выделяется 31,3 кДж теплоты. Определите стандартную теплоту образования Са(ОН)2.

7.Определите Но298 Fe2О3, если при реакции

2Fe + А12О3 = Fe2О3+ 2A1

на каждые 80 г Fe2О3 поглощается 426,5 кДж теплоты. 8. Тепловой эффект реакции

SО2(г) + 2H2S(г) = 3S(ромб) + 2Н2О(ж)

равен –234,50 кДж. Определите стандартную теплоту образования H2S. 9. Окисление аммиака протекает по уравнению

4NH3 (г) + 3О2 (г) = 2N2 + 6Н20(ж) Но298 = –1528 кДж.

Определите стандартную теплоту образования NH3(г) и NH4ОH, если теплота растворения NH3(г) в воде равна –34,65 кДж.

47

10. Вычислите стандартную теплоту образования сахарозы С12Н22О11, если тепловой эффект реакции

С12Н22О11 + 12О2 = 12СО2 + 11Н2О(ж)

12. Восстановление диоксида свинца водородом протекает по уравнению

Определите стандартную теплоту образования РbО2.

13.Вычислите стандартную теплоту образования бензойной кислоты С6Н5СООН(к), если стандартная теплота сгорания бензойной кислоты равна

–3227,54 кДж/моль, а стандартные теплоты образования Н2О и СО2 см. в табл.

1приложения.

14.Вычислите теплоту образования карбида кальция CaC2, исходя из теплового эффекта реакции

15.Определите Но298 образования этилена, используя следующие данные:

о

16. Вычислите Н реакций. Укажите, какая из них является эндотермической, а какая экзотермической. Тепловой эффект каких реакций представляет собой теплоту сгорания вещества?

а) 4NH3 (г)+5O2 (г)→4NO(г)+6H2O(г);

б) 4NH3 (г)+3O2 (г)→2N2 (г)+6H2O(г);

в) Fe2O3 (к)+3CO(г)→2Fe(к)+3CO2 (г);

г) CH4 (г)+2O2 (г)→CO2 (г)+H2O(ж);

д) 2Mg(к)+CO2 (г)→2MgO(к)+C(графит);

е) 2Сl2 (г)+H2O(г)→4HCl(г)+O2 (г);

ж) 3CH4 (г)+CO2 (г)+H2O(ж)→4CO(г)+8H2 (г);

и) CaO(к)+SiO2(к)→CaSiO3 (к);

к) 2H2S(г)+SO2(г)→3S(ромб)+2H2O(ж);

48

л) 2H2(г)+P4(т)→4PH3(г);

м) 3Fe(т)+2O2(г)→Fe2O3(к);

н) 2C2H2 (г)+5О2 (г)→4CO2 (г)+2H2O(г);

п) 4HF(г)+Br2 (ж)→2HBr(ж)+F2 (г);

р) CaO(к)+CO2 (г)→CaCO3 (к);

с) 4СО(г) + 2SO2 (г)→4СО2 (г) + S2 (г).

Как необходимо было бы записать уравнения некоторых реакций (каких?), чтобы теплота этих реакций могла бы быть названа теплотой сгорания?

17. Вычислите тепловой эффект реакции

АI2O3 (к) + 3SO3 (г) = Al2(S04)3 (к),

если известны стандартные теплоты образования реагирующих веществ.

18. Зная стандартные теплоты сгорания этана, метана и водорода (см. табл. 2 приложения), определите Но реакции:

С2Н6 (г) +Н2 (г) =2СН4 (г)

19. Используя значение Но298 реагирующих веществ, определите тепловой эффект реакции восстановления оксидом углерода оксида свинца (IV) до оксида свинца (II) с образованием диоксида углерода.

20. По стандартным теплотам сгорания веществ рассчитайте Но298 системы С2Н5ОН(ж)+СH3СООН(ж)=СН3СООС2Н5 (ж)+Н2O

Носгор..сн3соос2н5 = –2254,21 кДж/моль.

Конечные продукты сгорания – газообразный СО2 и жидкая Н2О.

21. Определите тепловой эффект реакции

NaH (к) + Н2О (ж) = NaOH (p) + Н2 (г)

по стандартным теплотам образования веществ, участвующих в реакции,если

Но NaH (к) = –56,94кДж/моль, Но NaОН(р) =–469,47 кДж/моль.

22.Определите тепловой эффект реакции

2PbS +3О2 =2РbO + 2SО2,

используя значение стандартных теплот образования реагирующих, веществ.

49

23 Вычислите теплоту перехода графита в алмаз, если при образовании одного моля СО2 из графита выделяется 393,5 кДж/моль, а из алмаза – 395,4 кДж/моль.

25.ТеплотысгоранияэтанаС2Н6 иэтиленаС2Н4 соответственносоставляют–1560и

–1411кДж/моль.Вычислите Но298 реакции гидрирования этилена С2Н4 +Н2 =С2Н6

26.Теплотысгораниябензола(г)иацетиленасоответственносоставляют–3268и

–1301кДж/моль.Вычислите Но298 реакции 3С2Н2 (г) =С6Н6 (г)

27. Теплота сгорания этилового спирта составляет –1409 кДж/моль. Вычислите Но298 реакции

2СО + 4Н2 = С2Н5ОН+Н2О(ж) 28.Вычислите Но298 реакции:

а)2Li (к) + 2H2O (ж) = 2Li+(водн.) +2ОН–(водн.) +Н2(г); б)2Nа(к) + 2H2O (ж) = 2Nа+(водн.) +2ОН–(водн.) +Н2(г);

Стандартные энтальпии образования Li+(водн.), Nа+(водн.), ОН–(водн.) принять соответственно равными–278,5, – 239,7и–228,9кДж/моль.

29.Исходяиз Но298 образования H2O (г) иследующихданных:

FeO (к) + H2(г) = Fe (к) + H2O (г) .

30. Определить Но298 реакции 3С2Н2 (г) = С6Н6 (ж), если Но298 реакции горения ацетилена с образованием СО2 (г) и Н2O (ж) равна –1301 кДж/моль, а Но298 образования С6Н6(ж) составляет 82,9 кДж/моль.

31.Пристандартныхусловияхтеплотаполногосгораниябелогофосфораравна 760,1кДж/моль,атеплотасгораниячерногофосфораравна722,1кДж/моль.Чемуравна теплотапревращениячерногофосфоравбелыйпристандартныхусловиях?

32. При получении азотной кислоты из KNО3 протекают следующие реакции:

50

KNО3 (к) + H2SО4 (р) = KHSО4 (к) + HNО3 (г) (а)

2KNО3 (к)+H2SО4 (р) = K2SО4 (к) + 2HNО3 (г) (б)

Сколько теплоты выделяется (или поглощается) при получении 1 кг азотной кислоты, если 80% ее образуется по реакции (а), Но (HNО3(г))=

–133,90 кДж/моль.

33. Разложение гремучей ртути при взрыве идет по уравнению

Hg(ONC)2 = Hg + 2CO + N2 + 364,2 кДж.

Определите объем выделившихся газов (н.у.) и количество теплоты, поглотившейся при взрыве 1,5 кг Hg(ONC)2.

34. Определите количество теплоты, выделяющейся при взаимодействии 50 г фосфорного ангидрида с водой по реакции

2Р + Н2 + 3O2 = 2НРO3 –1964,8 кДж.

35. Вычислите количество теплоты, которое выделяется при сгорании 20 л диборана (н.у.), если Но298В203 (к) и В2Н6 (г) соответственно равны –1264 и

+31,4 кДж/моль. Целесообразно ли использовать в качестве топлива диборан вместо этана, если стандартная теплота сгорания этана –1559,88 кДж/моль?

36. Найдите теплоту сгорания алмаза, если стандартная теплота сгорания графита равна –393,51 кДж/моль, а теплота фазового перехода С (графит)→ С (алмаз) равна 1,88 кДж/моль.

37. Какое количество теплоты выделяется при превращении 1 кг красного фосфора в черный, если НоР (красный) = –18,41; НоР (чёрный)= –43,20 кДж/моль?

38. Сколько нужно затратить теплоты, чтобы разложить 200 г Na2CО3 до оксида натрия и диоксида углерода, если тепловые эффекты реакций равны:

39.Сколько теплоты выделится при сжигании 38 г сероуглерода CS2?

40.При полном сгорании этилена (с образованием жидкой воды) выделилось 6226 кДж. Найти объем вступившего в реакцию кислорода (условия нормальные).