Алгоритм II. Расчеты по термохимическим уравнениям
Задача II.1.
Какое количество теплоты выделится при сгорании метана объемом 4,48 л (н.у.) в соответствии с термохимическим уравнениемСН 4 +2О 2 = СО 2 +2Н 2 О+878 кДж
Кратко записать условие задачи
Дано: Q = +878 кДж
V (СН 4 ) = 4,48л
Найти: Q 1 - ?
СН 4 +2О 2 = СО 2 +2Н 2 О + Q
4,48 л Q 1
СН 4 +2О 2 = СО 2 +2Н 2 О + Q
1 моль 878 кДж
22,4л /моль
Найти количество вещества метана, занимающего объем 4,48 л
n = V / Vm
n ( CH 4 )= 4,48л / 22,4л/моль = 0,2 моль
Вычислить количество теплоты, выделившейся при сгорании метана количеством вещества 0,2 моль
По уравнению:
878 кДж – 1 моль СН 4
По условию:
Q 1 – 0,2 моль СН 4
Q 1 = 175,6 кДж
Сформулировать ответ
При сгорании метана объемом 4,48 л (н.у.) выделится 175,6 кДж теплоты
Задача II.2.
Дано: Q = +2700 кДжV (С 2 Н 2 ) = 224
Найти: Q 1 - ?
Записать уравнение реакции, подчеркнуть формулы тех веществ, которые используются в решении
2 C 2 Н 2 + 5 О 2 = 4 C О 2 + 2Н 2 O + Q
Записать данные задачи и искомые над формулами, под формулами – количественные характеристики, необходимые для расчетов в соответствии с уравнением
224 л Q 1
2 C 2 Н 2 + 5 О 2 = 4 C О 2 + 2Н 2 O + Q
1 моль 2700 кДж
44,8 л/моль
Найти количество вещества ацетилена, занимающего объем 224 л
n = V / Vm
n ( C 2 H 2 )= 224л / 44,8/моль = 5 моль
Вычислить количество теплоты, выделившейся при сгорании ацетилена количеством вещества 5 моль
По уравнению:
2700 кДж – 1 моль С 2 Н 2
По условию:
Q 1 – 5 моль С 2 Н 2
Q 1 = 13500 кДж
Сформулировать ответ
При сгорании ацетилена объемом 224 л (н.у.) выделится 13500 кДж теплоты
Задача II.3.
Дано: Q = +1642 кДжНайти: m ( CH 3 COOH ) - ?
V(CO 2 ) - ?
Записать уравнение реакции, подчеркнуть формулы тех веществ, которые используются в решении
C Н 3 COOH + 2 О 2 = 2 C О 2 + 2Н 2 O + Q
Записать данные задачи и искомые над формулами, под формулами – количественные характеристики, необходимые для расчетов в соответствии с уравнением
m - ? 1642 кДж
C Н 3 COOH + 2 О 2 = 2 C О 2 + 2Н 2 O + Q 1 1 моль 2 моль
Найти относительные молекулярные массы, молярные массы веществ, используемых при решении задачи
Mr ( CH 3 COOH) = 12+3*1+12+16*2+1=60
M ( CH 3 COOH) = 60 г / моль
Mr ( CO 2 ) = 12+16*2= 44
M ( CO 2) = 44 г / моль
Вычислим количество вещества уксусной кислоты, при сжигании которой выделилось 1642 кДж теплоты
По уравнению:
821 кДж – 1 моль CH 3 COOH
По условию:
1642 кДж - 2 моль CH 3 COOH
Вычислим массу уксусной кислоты, количество вещества которой 2 моль
m ( CH 3 COOH ) = n * M
m ( CH 3 COOH ) = 2 моль *60г/моль = 120 г
Вычислим количество вещества оксида углерода(IV) , образовавшегося в ходе реакции
По уравнению:
2 моль CO 2 – 1 моль CH 3 COOH
По условию:
4 моль CO 2 - 2 моль CH 3 COOH
Вычислим какой объем оксида углерода (IV) выделился в течении реакции
V( CO 2 ) = Vm* n (CO 2)
V( CO 2 ) = 22,4*4 моль = 89,6 л
Сформулировать ответ
120 г уксусной кислоты получится, если в результате реакции выделится 1642 кДж теплоты, объем оксида углерода (IV) при этом составит 89,6 л
Задачи для самостоятельного решения.
Задача II.4. Какое количество теплоты выделится при сгорании уксусной кислоты объемом 2,24л (н.у.) в соответствии с термохимическим уравнением
C Н 3 COOH + 2 О 2 = 2 C О 2 + 2Н 2 O + 821 кДж
Задача II.5. Какое количество теплоты выделится при сгорании этена объемом 22,24л (н.у.) в соответствии с термохимическим уравнением
C 2 Н 4 + 3 О 2 = 2 C О 2 + 2Н 2 O + 1500 кДж
Задача II.6. Какое количество теплоты выделится при сгорании 1 л метана (измерено при н.у.), если тепловой эффект этой реакции равен 801 кДж?
Задача II.7При сжигании 1 моль ацетилена выделится 1350 кДж теплоты. Сколько теплоты выделится при сжигании 10 л ацетилена (н.у)?
Задача II.8. При сжигании 5 моль этанола выделяется 1248 кДж теплоты. Какая масса этанола должна сгореть, чтобы выделилось 624 кДж теплоты?
Задача II.9. При сжигании 2 моль ацетилена выделяется 1350 кДж теплоты. Какая масса ацетилена должна сгореть, чтобы выделилось 200 кДж теплоты?
Задача II.10. При сжигании 10 моль метана выделяется 1600 кДж теплоты. Какой объем метана должен сгореть, чтобы выделилось 3000 кДж теплоты?
Термохимические уравнении. Количество теплоты. которое выделяется или поглощается в результате реакции между определенными количествами реагентов, задаваемых стехиометричес-кими коэффициентами, называют тепловым эффектом химической реакции и обычно обозначают символом Q. Экзотермические н эндотермические реакции. Термохимический закон Гессе Реакции, протекающие с выделением энергии в форме теплоты, получили название экзотермических; реакции, протекающие с поглощением энергии в форме теплоты,- эндотермических. Доказано, что в изобарных химических процессах выделившаяся (или поглощенная) теплота есть мера уменьшения (или, соответственно, увеличения) энтальпии реакции ЛЯ. Таким образом, при экзотермических реакциях, когда теплота выделяется, АН отрицательна. При эндотермических реакциях (теплота поглощается) АН положительна. Величина теплового эффекта химической реакции зависит от природы исходных веществ и продуктов реакция, их агрегатного состояния и температуры. Уравнение реакции, в правой части которого наряду с продуктами реакции указывается изменение энтальпии АН или тепловой эффект реакции Qp, называют термохимическим. Примером экзотермической реакции может служить реакция образования воды: 2Н2(Г) + 02(г)=2Н20(Г) Для осуществления этой реакции необходимо затратить энергию на разрыв связей в молекулах Н2 и 02. Эти количества энергии соответственно равны 435 и 494 кДж/моль. С другой стороны, при образовании связи О - Н выделяется 462 кДж/моль энергии. Суммарное количество энергии (1848 кДж), выделившейся при образовании связей О - Н, больше, чем суммарное количество энергии (1364 кДж), затраченной на разрыв связей Н - Н и О = О, поэтому реакция является экзотермической, т. е. при образовании двух молей парообразной воды выделится 484 кДж энергии. Уравнение реакции образования воды, записанное с учетом изменения энтальпии Экзотермические н эндотермические реакции. Термохимический закон Гессе будет уже термохимическим уравнением реакции. Примером эндотермической реакции может служить образование оксида азота (II) Для осуществления этой реакции необходимо затратить энергию на разрыв связей N = N и 0 = 0 в молекулах исходных веществ. Они соответственно равны 945 и 494 кДж/моль. При образовании связи N = О выделяется энергия в количестве 628,5 кДж/моль. Суммарное количество энергии, необходимой для разрыва связей в молекулах исходных веществ, равно 1439 кДж и больше, чем выделившаяся энергия образования связей в молекулах продукта реакции (1257 кДж). Поэтому реакция является эндотермической и для ее протекания требуется поглощение энергии в количестве 182 кДж из окружающей среды. Термохимические уравнения Экзотермические н эндотермические реакции. Термохимический закон Гессе Этим и объясняется, что оксид азота (II) образуется только при высоких температурах, например, в выхлопных газах автомобилей, в грозовых разрядах и не образуется в обычных условиях.
Тепловые эффекты химических реакций
Тепловой эффект реакции - количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой в результате протекания химической реакции. Это может быть DН (Р,Т = const) или DU (V,T = const).
Если в результате реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия системы понижается (DН < 0 ), то реакция называется экзотермической.
Реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты, т.е. с повышением энтальпии системы (DН > 0), называются эндотермическими.
Как и другие функции состояния, энтальпия зависит от количества вещества, поэтому ее велечену (DН) обычно относят к 1 моль вещества и выражают в кДж/моль.
Обычно функции системы определяют при стандартных условиях , в которые, кроме параметров стандартного состояния, входит стандартная температура T = 298,15 К (25°C). Часто температуру указывают в виде нижнего индекса ().
Термохимические уравнения
Термохимические уравнения реакций - уравнения, в которых указан тепловой эффект, условия реакций и агрегатные состояния веществ. Обычно в качестве теплового эффекта указывается энтальпия реакции. Например,
C (графит) + O 2 (газ) = CO 2 (газ) , DН 0 298 = -396 кДж.
Тепловой эффект можно записать в уравнении реакции:
C (графит) + O 2 (газ) = CO 2 (газ) + 396 кДж.
В химической термодинамике первая форма записи употребляется чаще.
Особенности термохимических уравнений.
1. Тепловой эффект зависит от массы реагирующего вещества, поэ-
тому его обычно рассчитывают на один моль вещества. В связи с этим в термохимических уравнениях можно использовать дробные коэффициенты . Например, для случая образования одного моля хлороводорода термохимическое уравнение записывается так:
½H 2 + ½Cl 2 = HCl, DH 0 298 = -92 кДж
или Н 2 + Cl 2 = 2HСl, DH 0 298 = -184 кДж.
2. Тепловые эффекты зависят от агрегатного состояния реагентов; оно указывается в термохимических уравнениях индексами: ж - жидкое, г - газообразное, т - твердое или к – кристаллическое, р – растворенное.
Для того, чтобы сравнивать энергетические эффекты различных процессов, тепловые эффекты определяют при стандартных условиях . За стандартные принимают давление 100 кПа (1 бар), температуру 25 0 С (298 К), концентрацию - 1 моль/л. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то тепловой эффект химической реакции называется стандартной энтальпией системы и обозначается ΔН 0 298 или ΔН 0 .
Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют термохимическими уравнениями .
В термохимических уравнениях указывают фазовое состояние и полиморфную модификацию реагирующих и образующихся веществ: г -газовое, ж - жидкое, к -кристаллическое, т - твердое, р - растворенное и др. Если агрегатные состояния веществ для условий реакции очевидны, например, О 2 , N 2 , Н 2 - газы, Аl 2 О 3 , СаСО 3 - твердые вещества и т.д. при 298 К, то их могут не указывать.
Термохимическое уравнение включает в себя тепловой эффект реакции ΔН , который в современной терминологии записывают рядом с уравнением. Например:
С 6 Н 6(Ж) + 7,5О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О (Ж) ΔН 0 = - 3267,7 кДж
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3(Г) ΔН 0 = - 92,4 кДж.
С термохимическими уравнениями можно оперировать, как и с алгебраическими уравнениями (складывать, вычитать друг из друга, умножать на постоянную величину и т.д.).
Термохимические уравнения часто (но не всегда) приводятся для одного моля рассматриваемого вещества (получаемого или расходуемого). При этом другие участники процесса могут входить в уравнение с дробными коэффициентами. Это допускается, так как термохимические уравнения оперируют не с молекулами, а с молями веществ.
Термохимические расчеты
Тепловые эффекты химических реакций определяют как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов.
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса (1841 г):
Тепловой эффект реакции не зависит от пути, по которому протекает реакция (т.е. от числа промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы.
Например, реакция горения метана может протекать по уравнению:
СН 4 +2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О (Г) ΔН 0 1 = -802,34 кДж
Эту же реакцию можно провести через стадию образования СО:
СН 4 +3/2О 2 = СО + 2Н 2 О (Г) ΔН 0 2 = -519,33 кДж
СО +1/2О 2 = СО 2 ΔН 0 3 = -283,01 кДж
При этом оказывается, что ΔН 0 1 = ΔН 0 2 + ΔН 0 3 . Следовательно, тепловой эффект реакции, протекающей по двум путям, одинаков. Закон Гесса хорошо иллюстрируется с помощью энтальпийных диаграмм (рис.2)
Из закона Гесса вытекает ряд следствий:
1. Тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.
2. Если в результате ряда последовательных химических реакций система приходит в состояние, полностью совпадающее с исходным, то сумма тепловых эффектов этих реакций равна нулю (ΔН = 0). Процессы, в которых система после последовательных превращений возвращается в исходное состояние, называются круговыми процессами или циклами . Метод циклов широко используется в термохимических расчетах. .
3. Энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакций за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
Здесь встречаемся с понятием ""энтальпия образования"" .
Энтальпией (теплотой) образования химического соединения называется тепловой эффект реакции образования 1 моля этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25 0 С (298 К) и 100 кПа. Стандартные энтальпии образования химических веществ обозначаются ΔН 0 298 (или ΔН 0 ), измеряются в кДж/моль и приводятся в справочниках. Энтальпию образования простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа, принимают равной нулю.
В таком случае следствие из закона Гесса для теплового эффекта химической реакции (ΔН (Х.Р.) ) имеет вид:
ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 продуктов реакции - ∑ΔН 0 исходных веществ
Используя закон Гесса, можно рассчитывать энергию химической связи, энергию кристаллических решеток, теплоты сгорания топлив, калорийность пищи и т.д.
Наиболее распространенные расчеты – вычисление тепловых эффектов (энтальпий) реакций, что необходимо для технологических и научных целей.
Пример 1. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО 2(Г) и водородом, в результате которой образуются СН 4(Г) и Н 2 О (Г) , вычислив ее тепловой эффект на основе данных, приведенных в приложении. Сколько теплоты выделится в этой реакции при получении 67,2 л метана в пересчете на стандартные условия?
Решение .
СО 2(Г) + 3Н 2(Г) = СН 4(Г) + 2Н 2 О (Г)
Находим в справочнике (приложение) стандартные теплоты образования соединений, участвующих в процессе:
ΔН 0 (СО 2(Г) ) = -393,51 кДж/моль ΔН 0 (СН 4(Г) ) = -74,85 кДж/моль ΔН 0 (Н 2(Г) ) = 0 кДж/моль ΔН 0 (Н 2 О (Г) ) = ―241,83 кДж/моль
Обратите внимание, что теплота образования водорода, как и всех простых веществ в их устойчивом при данных условиях состоянии, равна нулю. Рассчитываем тепловой эффект реакции:
ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 (прод.) - ∑ΔН 0 (исх.) =
ΔН 0 (СН 4(Г) ) + 2ΔН 0 (Н 2 О (Г) ) - ΔН 0 (СО 2(Г) ) -3ΔН 0 (Н 2(Г) )) =
74,85 + 2(-241,83) - (-393,51) - 3·0 = -165,00 кДж/моль.
Термохимическое уравнение имеет вид:
СО 2(Г) + 3Н 2(Г) = СН 4(Г) + 2Н 2 О (Г) ; ΔН = -165,00 кДж
Согласно этому термохимическому уравнению, 165,00 кДж теплоты выделится при получении 1 моль, т.е. 22,4 л метана. Количество теплоты, выделившейся при получении 67,2 л метана, находим из пропорции:
22,4 л -- 165,00 кДж 67,2·165,00
67,2 л -- Q кДж Q = ------ = 22,4
Пример 2. При сгорании 1л этилена С 2 Н 4(Г) (стандартные условия) с образованием газообразного оксида углерода (IV) и жидкой воды выделяется 63,00 кДж теплоты. Рассчитайте по этим данным мольную энтальпию горения этилена и запишите термохимическое уравнение реакции. Вычислите энтальпию образования С 2 Н 4(Г) и сравните полученное значение с литературными данными (приложение).
Решение. Составляем и уравниваем химическую часть требующегося термохимического уравнения:
С 2 Н 4(Г) + 3О 2(Г) = 2СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ; Н = ?
Создаваемое термохимическое уравнение описывает горение 1 моль, т.е. 22,4 л этилена. Необходимую для него мольную теплоту горения этилена находим из пропорции:
1л -- 63,00 кДж 22,4·63,00
22,4 л -- Q кДж Q = ------ =
1410,96 кДж
Н = -Q , термохимическое уравнение горения этилена имеет вид: С 2 Н 4(Г) + 3О 2(Г) = 2СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ; Н = -1410,96 кДж
Для расчета энтальпии образования С 2 Н 4(Г) привлекаем следствие из закона Гесса: ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 (прод.) - ∑ΔН 0 (исх.).
Используем найденную нами энтальпию горения этилена и приведенные в приложении энтальпии образования всех (кроме этилена) участников процесса.
1410,96 = 2·(-393,51) + 2·(-285,84) - ΔН 0 (С 2 Н 4(Г) ) - 3·0
Отсюда ΔН 0 (С 2 Н 4(Г) ) = 52,26 кДж/моль. Это совпадает со значением, приведенным в приложении и доказывает правильность наших вычислений.
Пример 3. Напишите термохимическое уравнение образования метана из простых веществ, вычислив энтальпию этого процесса из следующих термохимических уравнений:
СН 4(Г) + 2О 2(Г) = СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ΔН 1 = -890,31 кДж (1)
С (ГРАФИТ) + О 2(Г) = СО 2(Г) Н 2 = -393,51 кДж (2)
Н 2(Г) + ½О 2(Г) = Н 2 О (Ж) Н 3 = -285,84 кДж (3)
Сравните полученное значение с табличными данными (приложение).
Решение. Составляем и уравниваем химическую часть требующегося термохимического уравнения:
С (ГРАФИТ) + 2Н 2(Г) = СН 4(Г) Н 4 = Н 0 (СН 4(Г)) ) =? (4)
С термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Мы должны в результате алгебраических действий с уравнениями 1, 2 и 3 получить уравнение 4. Для этого следует уравнение 3 умножить на 2, результат сложить с уравнением 2 и вычесть уравнение 1.
2Н 2(Г) + О 2(Г) = 2Н 2 О (Ж) Н 0 (СН 4(Г) ) = 2 Н 3 + Н 2 - Н 1
+ С (ГРАФИТ) + О 2(Г) + СО 2(Г) Н 0 (СН 4(Г) ) = 2(-285,84)
- СН 4(Г) - 2О 2(Г) -СО 2(Г) - 2Н 2 О (Ж) + (-393,51)
С (ГРАФИТ) + 2Н 2(Г) = СН 4(Г) Н 0 (СН 4(Г) ) = -74,88 кДж
Это совпадает со значением, приведенным в приложении, что доказывает правильность наших вычислений.
Уравнения химических реакций, в которых указаны их тепловые
эффекты, называются термохимическими уравнениями .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Термохимические уравнения имеют ряд особенностей:
а) Поскольку от агрегатных состояний веществ зависит состояние системы
в целом, в термохимических уравнениях с помощью буквенных индексов
(к), (ж), (р) и (г) обозначаются состояния веществ (кристаллическое, жид-кое, растворенное и газообразное). Например,
б) Чтобы тепловой эффект реакции был выражен в кДж/моль одного из ис-ходных веществ или продуктов реакции, в термохимических уравнениях
допускаются дробные коэффициенты. Например,
=−46,2кДж/моль.
в) Часто теплота реакции (тепловой эффект) записывается как∆H
Верхний индекс 0 означает стандартную величину теплового эф-фекта (величину, полученную при стандартных условиях, т. е. при давле-нии 101 кПа), а нижний - температуру, при которой идет взаимодействие.
Особенность термохимических уравнений заключается в том, что при работе с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из одной части уравнения в другую. С обычными уравнениями химических реакций так поступать, как правило, нельзя.
Допускается также почленное сложение и вычитание термохимических уравнений. Это бывает нужно для определения тепловых эффектов реакций, которые трудно или невозможно измерить в опыте.
11.Сформулируйте закон Гесса и следствие из закона Гесса.
Закон Гессаформулируется следующим образом: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее протекания, а зависит лишь от природы и физического состояния (энтальпии) исходных веществ и продуктов реакции.
Следствие 1. Тепловой эффект реакции равен разности сумм теп-лот образования продуктов реакции и теплот образования исход-ных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов.
Следствие 2. Если известны тепловые эффекты ряда реакций, то можно определить тепловой эффект другой реакции, в которую входят вещества и соединения, входящие в уравнения, для которых тепловой эффект известен. При этом с термохимическими уравнениями можно производить самые различные арифметические действия (сложение, вычитание, умножение, деление) как с алгебраическими уравнениями.
12.Что такое стандартная энтальпия образования вещества?
Стандартной энтальпией образования вещества называют тепловой эффект реакции образования 1 моль данного вещества из соответствующего количества простых веществ, находящихся в стандартных условиях.
13.Что такое энтропия? в чем она измеряется?
Энтропия - термодинамическая функция состояния системы, и ее величина зависит от количества рассматриваемого вещества (массы), температуры, агрегатного состояния.
Единицы измерения Дж/К
14.Сформулируйте 2 и 3 законы термодинамики.
Второй закон термодинамики
В изолированных системах (Q= 0, A= 0, U= const) самопроизвольно идут
только те процессы, которые сопровождаются ростом энтропии системы, т. е.S>0.
Самопроизвольный процесс заканчивается при достижении максимальной при
данных условиях энтропии S max, т. е. когда ∆S= 0.
Таким образом, в изолированных системах критерием самопроизвольного про-цесса является возрастание энтропии, а пределом такого процесса -∆S= 0.
Третий закон термодинамики
Энтропия каждого химического элемента в идеальном кристаллическом состо-янии при температуре, близкой к абсолютному нулю, близка к нулю.
Энтропия неидеальных кристаллов больше нуля, т. к. их можно рассматривать
как смеси, обладающие энтропией смешения. Это справедливо также для кри-сталлов, имеющих дефекты кристаллической структуры. Отсюда следует принцип
недостижимости абсолютного нуля температуры. В настоящее время достигнута
самая низкая температура 0,00001 К.