Теплоты химических процессов

Энергетические потребности всех живых организмов обеспечиваются протеканием экзотермических реакций. Человек за сутки затрачивает в среднем при массе 70кг 2700 ккал энергии. С учетом этого рассчитываются и планируются нормы потребления пищевых продуктов. Для практических и научных целей возможно экспериментальное и расчетное определение энергетических эффектов - теплоты и максимальной работы реакций. Данные величины можно рассчитать исходя из табличных данных по термодинамическим свойствам веществ и некоторых характерных химических реакций. Основными термодинамическими характеристиками реакций являются: стандартная теплота (энтальпия) реакции ∆_rH⁰ ₂₉₈ , стандартное изменение энергии Гиббса ∆_r G ⁰ ₂₉₈ , стандартное изменение энтропии ∆_r S⁰ ₂₉₈ , стандартная энтальпия (теплота) образования веществ ∆_fH⁰ ₂₉₈ , стандартная энтальпия (теплота) сгорания вещества ∆_с H⁰ ₂₉₈ , стандартное изменение энергии Гиббса образования вещества ∆_f G ⁰ ₂₉₈ и стандартная энтропия вещества S⁰ ₂₉₈ .

Рассчитывают стандартную теплоту реакции на основе следствий из закона Гесса.

Цель работы: выполнение калориметрических измерений и термодинамических расчетов, связанных с энергетикой химических реакций.

Опыт1. Определение теплоты гидратации карбоната натрия

Во внутренний взвешенный стакан калориметра налейте 300 мл дистиллированной воды. Простейший калориметр изготовьте из нескольких стаканов, вставленных один в другой, причем дно одного стакана не соприкасается с дном другого. Внутренний стакан должен иметь ёмкость 400 мл, средний – 600 мл, наружный – 800 мл. Можно использовать два стакана и во избежание потерь теплоты, между сосудами помещают пробковые прокладки. В маленький стакан наливается вода, остальные необходимы для создания воздушной теплоизоляционной прослойки. Калориметрический стакан закрывают деревянной крышкой с отверстиями для термометра, мешалки и воронки

Взвесьте маленький стакан калориметра и налейте в него 150 мл воды, измерив точно её объём. Термометром измерьте температуру воды в калориметре (цена деления термометра 0,1°С).

Отвесьте около 7 г безводного карбоната натрия с точностью до 0,01 г, пересыпьте во внутренний стакан. Запишите температуру воды t₁ (цена деления термометра равна 0,1⁰С) в калориметре и при работающей мешалке пересыпьте в стакан навеску соли. Отметьте максимальную температуру раствора.

Во избежание ошибки ведите запись показаний через каждые 10 секунд. По полученным данным постройте кривую в координатах “температура – время”. По графику определите наивысшую температуру раствора t₂.

Повторите опыт, взяв навеску кристаллогидрата Na₂CO₃·10H₂O около 15 г. В этом опыте отметьте минимальную температуру раствора.

Рассчитайте количество теплоты, выделившейся при растворении соли: q = (m₁C₁+m₂C₂)(t₂ - t₁), где С₁ – удельная теплоемкость стекла (0,753 Дж/г·град), С₂ – удельная теплоемкость раствора (4,184 Дж/г·град).

Рассчитайте молярные теплоты растворения безводной соли, кристаллогидрата, теплоту гидратации соли.

Таблица Экспериментальные данные опыта

Измеряемые величины	Безводная соль	Кристаллогидрат
Масса калориметрического стакана m1, г
Масса воды m2, г
Навеска соли m3, г
Температура воды t1, 0С
Температура раствора t2, 0С

Вопросы к допуску

1. Что называется стандартной теплотой (энтальпией) образования вещества, стандартной теплотой (энтальпией) разложения?

2. Сформулируйте закон Гесса и следствия из него.

3. Как можно подсчитать тепловой эффект реакции, если известны теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции?

4. Что такое теплота гидратации, теплота растворения?

5. Опишите порядок выполнения опыта

6. Напишите термохимические уравнения процессов гидратации Na₂CO₃ и растворения получающегося кристаллогидрата.

Вопросы к защите

1. Проанализируйте случаи, когда тепловой эффект одной и той же реакции будет различным. Как должны отличаться в том или ином случае условия эксперимента?

2. При растворении 4 г безводного сульфата меди в большом количестве воды выделилось 1680 Дж теплоты. При растворении 5 г пентагидрата сульфата меди в том же количестве воды поглощается 227 Дж теплоты. Вычислите DН⁰ процесса:

CuSO_{4 (к)} + 5H₂O _(ж) = CuSO₄×5H₂O

3. Энтальпия сгорания бензола и ацетилена равна -3270 и -1302 кДж/моль соответственно. Определите энтальпию превращения ацетилена в бензол 3C₂H₂ = C₆H₆.

4. Вычислите тепловой эффект сгорания этилена. Необходимые данные возьмите из справочника.

5.При какой температуре наступит равновесие системы 4HCl(г)+O₂(г)«2H₂O(г)+2Cl₂(г); DН= -114,42 кДж? Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем и при каких температурах?

6.Реакция горения ацетилена идет по уравнению C₂H₂(г)+5/2O₂(г)=2CO₂(г)+H₂O(ж) Вычислите и .реакции. Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции.

7.Исходя из значений стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ, вычислите реакции, протекающей по уравнению NH_2(Г)+HCl_(Г)=NH₄Cl_(К). Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно?

8.Эндотермическая реакция взаимодействия метана с диоксидом углерода протекает по уравнению: CH_4(Г)+CO_2(Г)=2CO_(Г)+2H_2(Г); DH= +247,37 кДж. При какой температуре начнется эта реакция?

9.На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите реакции, протекающей по уравнению: CO_2(Г)+4H_2(Г)=CH_4(Г)+2H₂O_(Ж). Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

10.Не производя вычислений, установить знак ΔS⁰ следующих процессов:

а) 2NH₃(г) = N₂(г) + 3H₂(г) б) СO₂(к) = CO₂(г)

в) 2NO(г) + O₂(г) = 2NO₂(г) г) 2H₂S(г) + 3O₂(г) = 2H₂O(ж) + 2SO₂(г)

 

РАБОТА 8