 |
I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.
|
|
|
|
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К практическим занятиям
по дисциплине "Общая и неорганическая химия"
Тема: "Термохимические расчеты. Закон Гесса.
Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".
Северодвинск
УДК 546(076.1)
Белозерова Т.И.
"Термохимические расчеты. Закон Гесса.
Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К практическим занятиям
по дисциплине "Общая и неорганическая химия"
Ответственный редактор Гуляева Т.Г.
Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Физика» Горин С.В.
к.б.н., доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды»
Камышева Е.А.
Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
Методическое пособие содержит сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направления и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.
Лицензия на издательскую деятельность
Код 221. Серия ИД №01734 от 11 мая 2000г.
Севмашвтуз, 2004г.
Термохимические расчеты. Закон Гесса. Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье.
Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса, специальность 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
Методическое пособие содержит общие сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направление и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.
I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.
|
|
|
Наука о взаимных превращениях различных видов энергии называется термодинамикой. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты называются экзотермическими, а те которые сопровождаются поглощением теплоты – эндотермическими.
Изменения энергии системы, при протекании в ней химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектом химической реакции.
Характеристическая функция
U + pV = H (1)
где, V – объем системы, U – внутренняя энергия, называется энтальпией системы.
Энтальпия – функция состояния системы. При постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпией реакции ΔH.
При экзотермической реакции ΔH<0 (Qp>0) – энтальпия системы уменьшается.
При эндотермических реакциях ΔH>0 (Qp<0).
Изменения энтальпии в процессе образования данного вещества в стандартном состоянии их простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях, называются стандартной энтальпией образования ΔH0298. Тепловой эффект зависит от температуры, поэтому в индексе указывается температура (298 К).
Уравнение процессов, в которых указаны тепловые эффекты, называются термохимическими
H2 + 1/2О2=H2О(ж) ΔH0298= -285,8 кДж
Чтобы энтальпию отнести к одному молю какого-либо вещества, термохимические уравнения имеют дробные коэффициенты.
В термохимических уравнениях записываются также агрегатные состояния веществ: Г-газовое, Ж-жидкое, Т-твердое, К-кристаллическое.
Энтальпия (теплота) образования – тепловой эффект образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа. Обозначают ΔH0обр или ΔH0f.
Закон Гесса – тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий.
|
|
|
В термохимических расчетах применяют следствие из Закона Гесса:
Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования (ΔH0обр) продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнениях реакции
ΔНх.р. = ∑Δ Н обр.прод. - ∑ΔН0обр.исх. (2)
Значения стандартных энтальпий образования ΔН0298 даны в таблице (приложение №1).
Пример 1. Рассчитаем стандартную энтальпию образования пропана С3Н8, если тепловой эффект реакции его сгорания
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О (г)
равна ΔНх.р. = -2043,86 кДж/моль
Решение: В соответствии с уравнением (2)
ΔНх.р. = (3ΔН0 (СО2) + 4ΔН0 (Н20)г) – (ΔН0 (С3Н8) + 5ΔН0 (О2)) =
= ΔН0 обр.(С3Н8) = 3ΔН0(СО2) – 5ΔН0(О2) – ΔН0х.р. + 4ΔН0(Н2О)г
Подставив значение ΔН0х.р. и справочные данные, энтальпии простых веществ равны нулю ΔН0О2 = 0
ΔН0С3Н8 = 3(-393,51) + 4(-241,82) – 5*0 – (2043,86) = -103,85 кДж/моль
Ответ: энтальпия образования пропана относится к экзотермическим процессам.
Пример 2. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:
С2Н5ОН (ж) + ЗО2(г) = 2СО2 (г) + ЗН2О(ж); ΔН =?
Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная энтальпия С2Н5ОН(ж) равна + 42,36 кДж и известны энтальпии образования С2Н5ОН (г); СО2(г); Н2О(ж) (см. табл.1).
Решение: для определения ∆Н реакции необходимо знать теплоту образования С3Н5ОН (ж). Последнюю находим из данных задачи:
С2Н5ОН (ж) = С2Н5ОН (г); ΔН = +42,36 кДж + 42,36 = -235,31 – ΔН С2Н5ОН (ж)
ΔН С2Н5ОН (ж) = - 235,31 – 42,36 = - 277,67 кДж
Теперь вычисляем ΔН реакции, применяя следствие из закона Гесса:
ΔНх.р. = 2 (-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж
Пример 3. Растворение моля безводной соды Na2CO3 в достаточно большом количестве воды сопровождается выделением 25,10 кДж теплоты, тогда как при растворении кристаллогидрата Na2CO3 * 10H2O поглощается 66,94 кДж теплоты. Вычислить теплоту гидратации Na2CO3 (энтальпию образования кристаллогидрата).
Решение: составляем термохимические уравнения соответствующих реакций:
А) Na2CO3 + aq = Na2CO3 * aq; ΔН = -25,10 кДж
Б) Na2CO3 * 10H2O + aq = Na2CO3 * aq; ΔН = +66,94 кДж
Теперь, вычитая уравнение Б) из уравнения А), получаем ответ:
|
|
|
Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3 * 10H2O; ΔН = -92,04 кДж,
т.е. при образовании Na2CO3 * 10H2O выделяет 92,04 кДж теплоты.
Пример 4. Зная энтальпию образования воды и водяного пара (см. таб. 1), вычислить энтальпию испарения воды.
Решение: задача решается аналогично задачам в примерах 3 и 4:
А) H2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(г); ΔН = -241,83 кДж
Б) Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(ж); ΔН = -285,84 кДж
Вычитая уравнение (Б) из уравнения (А) получаем ответ:
Н2О(ж) = Н2О(г); ΔН = - 241,83 + 285,84 = + 44,01 кДж,
т.е. для перевода воды в пар необходимо затратить 44,01 кДж тепла.
Пример 5. При образовании хлористого водорода по реакции
Н2 + Сl2 = 2HCl
Выделяется 184,6 кДж тепла. Чему равна энтальпия образования HCl?
Решение: энтальпия образования относится к 1 моль, а по уравнению образуется 2 моль HCl.
ΔН0 НCl = -184,6 / 2 = -92,3 кДж/моль
Термохимическое уравнение:
1/2Н2 + 1/2Cl2 = HCl; ΔН = -92,3 кДж/моль
Пример 6. Вычислить тепловой эффект горения аммиака.
2NH3(г) + 3/2O2(г) = N2(г) + 3H2O(г)
Решение: на основании следствия из закона Гесса имеем
ΔН = ∑Δ Н0кон - ∑ΔН0исх. = (ΔН0(N2)+ 3ΔН0 (Н20)) - (2ΔН0 (NH3) + 3/2ΔН0 (О2))
Так как энтальпии простых веществ равны 0 (ΔН0 (N2) = 0; ΔН0 (02) = 0)
Получаем: ΔН = 3ΔН0(H2О)(г) – 2ΔН0 (NH3)
По таблице находим значение стандартных энтальпий образования
ΔН0 (NH3) = -45,94 кДж
ΔН0(H2О) = -241,84 кДж
ΔН = 3 (-241,84) – 2 (-45,94) = -633,4 кДж
Пример 7. Вычислить тепловой эффект реакции горения
А) 11,2 л ацетилена
Б) 52 кг ацетилена
Решение:
1. Написать термохимическое уравнение горения ацетилена
C2H2(г) + 5/2O2(г) = 2CO2(г) + H2O(г) + ΔН
2. Написать выражение для расчета стандартного теплового эффекта реакции, пользуясь следствием из закона Гесса
ΔН0х.р. = (2ΔН0(СО2) + ΔН0 (Н2О)(г)– ΔН0(С2Н2)
Подставим в это выражение табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:
ΔН0х.р. = 2(-393,5) + (-241,8) – 226,8 = -802,0 кДж
3. Из термохимического уравнения реакции видно, что количество тепла выделяется при сгорании 1 моль ацетилена (22,4 л или 26 г).
Количество тепла прямо пропорционально количеству участвующего в горении вещества. Следовательно можно составить пропорцию:
1 с п о с о 6:
|
|
|
а) 22,4 л С2Н2 - (-802,0 кДж)
11,2 л С2Н2 - х
х = - 401,0 кДж
Б) 26 г C2H2 - (802,0 кДж)
52*103 С2Н2 - х
х = 52*103*(-802) = - 1604 * 103 кДж
2 с п о с о б:
Определяем количество моль ацетилена
٧(С2Н2) = m(C2H2) = V(C2H2)
M(C2H2) Vm
A) ٧(С2Н2) = 11,2 = 0,5 моль
22,4
1 моль С2Н2 - (- 802,0 кДж)
0,5 моль С2Н2 - х
х = -401,О кДж
Б) ٧(С2Н2) = 52*103 = 2*103 моль
1 моль С2Н2 - (- 802,0 кДж)
2*103 моль С2Н2 - х
х = 2*103*(-802) = - 1604*103 кДж
Пример 8. Определить стандартную энтальпию образования ацетилена, если при сгорании 11,2 л. его выделилось 401 кДж тепла.
Решение: С2Н2(г) + 5/2О2 = 2СО2 + Н2О(г) ΔНх.р.
1. Определяем тепловой эффект химической реакции
а) ν(С2Н2) = 11,2 л /22,4 л/моль = 0,5 моль
б) 0,5 моль С2Н2 - - 401 кДж
1 моль С2Н2 - - х
х = 1*(-401) = -802 кДж - ΔНх.р.
0,5
2. Пользуясь следствием из закона Гесса определяем стандартную энтальпию образования ΔН0(С2Н2):
ΔНх.р. = (2ΔН0 (СО2) + ΔН0 (Н20)) – (ΔН0 (С2Н2) + 5/2 ΔН0 (О2))
ΔН0 С2Н2 = 2ΔН0(СО2) + ΔН0 (Н2О)г – ΔН х.р. + 5/2 ΔН0(О2)
Подставим в это выражение табличные значения стандартных знтальпий образования веществ:
ΔН0 С2Н2 = 2 (-393) + (-241,8) – (-802) – 0 = 226 кДж
Ответ: ΔН0 С2Н2 = 226 кДж/моль
|
|
|
