Энергетика химических процессов

Пример 1. Выпишите из таблицы D H ⁰_обр (энтальпия образования) следующих веществ: CO_2(г), ZnO_(к), CaCO_3(к), HI_(г). Напишите термохимические уравнения, соответствующие данным величинам.

Решение: Стандартная теплота или энтальпия образования D H ⁰_обр - это тепловой эффект реакции образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, взятых в наиболее устойчивых состояниях при T =298 K и p =101325 Па.

Таким образом, при написании термохимического уравнения следует учитывать:

1) D H ⁰_обр относится к 1 молю образующегося вещества (продукта реакции); 2) вещество (продукт реакции) образуется из простых веществ, взятых в их наиболее устойчивом состоянии при стандартных условиях, D H ⁰_обркоторых условно принимается равным нулю, например:

C_{(графит)} + O_2(г) = CO_2(г), D H ⁰_обр= -393,77 кДж,

Zn_(к) + 0,5 O_2(г) = ZnO_(к), D H ⁰_обр = -350,66 кДж,

Ca_(к) + C_{(графит)} + 1,5O_2(г) = CaCO_3(к), D H ⁰_обр = - 1207,72 кДж,

0,5 H_2(г) + 0,5 I_2(к) = HI_(г), D H ⁰_обр = 25,94 кДж.

Пример 2. Рассчитать тепловой эффект реакции (D H ⁰_х.р.) 3H_2(г) + C₂H_2(г) = 2CH_4(г), пользуясь D H ⁰_обр реагентов. Определить к какому типу (экзотермическая или эндотермическая реакция) она относится.

Решение: выпишем из табл.2 соответствующие значения D H ⁰_обр реагентов (кДж/моль):

реагент	Н_2(г)	С₂Н_2(г)	СН_4(г)
D H ⁰_обр, кДж/моль		226,17	-74,85

По 1 следствию из закона Гесса:

D H ⁰_х..р.= åD H ⁰_{обр(пр-тов)} - åD H ⁰_{обр(исх..в-в)}

для данной реакции, с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении перед каждым из реагентов

D H ⁰_х..р. = 2 D H ⁰_обр (СН₄) - [3 D H ⁰_обр(Н₂) + D H ⁰_обр(С₂Н₂)} =

= 2(-74,85) – [3´0 + 226,17] = - 376,46 кДж.

Если D H ⁰_х..р.<0, то реакция экзотермическая, т.е. идет с выделением тепла, если D H ⁰_х..р.>0, то реакция эндотермическая т.е. в ходе реакции тепло поглощается.

Т.к. в данной реакции D H ⁰_х..р.<0, следовательно, реакция является экзотермической, т.е. выделяется тепло в количестве эквивалентном изменению энтальпии.

Пример 3. Пользуясь D H ⁰_обр реагентов, рассчитать D H ⁰_х..р.реакции

3CO_(г) + Fe₂O_3(к) = 3 CO_2(г) + 2Fe_(к).

Сколько тепла выделится, если в результате реакции образуется: а) 1 кг железа; б) 2,24 м³ СО₂?

Решение: Пользуясь табл.2, выпишите соответствующие значения D H ⁰_обр реагентов (кДж/моль):

Реагент	CO_(г)	Fe₂O_3(к)	CO_2(г)	Fe_(к)
D H ⁰_обр,кДж/моль	-110,60	-822,70	-393,77

Для данной реакции по 1-ому следствию из закона Гесса:

D H ⁰_х..р.=[3D H ⁰_обр(CO₂)+2D H ⁰_обр(Fe)] – [3D H ⁰_обр(CO) + D H ⁰_обр(Fe₂O₃)] = [3(-393,77) + 2´0] – [3(-110,0) + (-822,70) = - 26,81 кДж.

Тепловой эффект реакции относится к строго определенному количеству вещества. Так, в данном случае при выделении 26,81 кДж тепла в реакции участвуют следующие количества 1) молей; 2) граммов реагентов; 3) литров или м³:

3CO_(г)	+	Fe₂O_3(к)	=	3CO_2(г)	+	2Fe_(к)
3 моль		1 моль		3 моль		2 моль
3´28 г		160 г		3´44 г		2´56 г
3´22,4л 3´22,4´10^-³м³				3´22,4л 3´22,4´10^-3м³

Для ответа на поставленные в задаче вопросы составляем пропорции:

а) если выделяется 26,81 кДж тепла, образуется 2´56 г Fe

X кДж 1000 г Fe

кДж,

б) при образовании 3´22,4´10^-3м³ выделяется 26,81 кДж тепла

2,24 м³ Х кДж

кДж

Пример 4. При сгорании 3,6 г магния выделилось 90,3 кДж тепла. Определить D H ⁰_обрMgO.

Решение: D H ⁰_обр(MgO) отвечает тепловой эффект реакции образования 1 моль MgO: Mg_(к) + 0,5 O_2(г) = MgO_(к)

3,6 г магния составляют 0,15 моль

Составляем пропорцию: при сгорании 0,15 моль магния выделяется 90,3 кДж тепла

1 моль Х кДж

кДж.

Т.к. в реакции выделяется тепло, следовательно, D H ⁰_х.р.=-602 кДж.

По 1 следствию из закона Гесса D H ⁰_хр= åD H ⁰_{обр(пр-тов)} - åD H ⁰_{обр(исх..в-в)}

Т.е. для данной реакции, с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении:

D H ⁰_х.р. = D H ⁰_обр(MgO)- [ D H ⁰_обр(Mg) +0,5 D H ⁰_обр(O₂)]

Из этого уравнения определяем DH⁰_обрMgO

D H ⁰_обр (MgO)=D H ⁰_х.р. +[ D H ⁰_обр(Mg) +0,5 D H ⁰_обр(O₂)]=-602 + [0 +0,5´0] =

-602 кДж/моль.

Пример 5. Рассчитать тепловой эффект реакции превращения 1 моль кислорода О₂ в озон О₃ исходя из следующих термохимических данных:

3As₂O_3(к) + 3O_2(г) = 3As₂O_5(к), D H ⁰_х.р. = -780,2 кДж

3As₂O_3(к) + 2O_3(г) = 3As₂O_5(к), D H ⁰_х.р.= -1065,5 кДж.

Решение: Реакция превращения 1 моль кислорода в озон описывается уравнением

O₂ = 2/3 O₃. Согласно закона Гесса, вычитая из первого заданного уравнения второе, получаем

3 O₂= 2O₃, D H ⁰_х.р.= -780-(-1065,5) = -285,5 кДж.

Для реакции превращения 1-го моля кислорода в озон полученный результат надо разделить на 3:

O₂ = 2/3 O₃, D H ⁰ _х.р.=285,5/3 = 95,1 кДж.

Пример 6. Пользуясь D H ⁰_сгор., определить какое количество тепла выделится при сгорании 10 л этилена по реакции:

C₂H_4(г) + 3O_2(г) = 2CO_2(г) + 2H₂O_(ж).

Реакции горения – это реакции окисления вещества кислородом. В основном, в таких реакциях участвуют теплоносители (С_графит, Н₂, органические соединения). Продукты сгорания органических веществ – это CO_2(г) и H₂O_(ж).

Стандартная энтальпия сгорания D H ⁰_сгор. - это тепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества. Из табл.1, D H ⁰_сгор.(C₂H₄)= -1410,97 кДж. В нашем случае в реакции участвует 1 моль C₂H₄, следовательно, в реакции выделяется 1410,97 кДж.

10 л C₂H₄ содержат 0,45моль

Составляем пропорцию:

при сгорании 1 моль этилена выделяется 1410,97 кДж тепла

0,45 моль Х кДж

кДж

Пример 7. На основании табличных значений D G ⁰_обр определить при стандартных условиях возможность самопроизвольного протекания реакций:

а) CH_4(г) + 2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(ж).

б) 2CH_4(г) = C₂Н_4(г) + 2H_2(г).

Решение: Критерием самопроизвольного протекания реакции является изменение энергии Гиббса реакции. В стандартных условиях:

D G ⁰ _х.р. = (å D G ⁰ _обр.)_пр-тов- (åD G ⁰ _обр.)_исх.в-в

Для реакции а) с учетом коэффициентов в уравнении для каждого вещества

D G ⁰_х..р =[D G ⁰_обр.(СO₂)+2D G ⁰_обр(H₂O)] - [D G ⁰_обр.(CH₄)+2D G ⁰_обр.(O₂) = [(-394,6)+ 2(-237,4)] –

-[(-50,85) + 2(0)] = -818,55 кДж; поскольку D G ⁰ _х.р. < 0, то данная реакция в стандартных условиях может протекать самопроизвольно в прямом направлении.

Для реакции б) с учетом коэффициентов в уравнении для каждого вещества

D G ⁰ _х..р =[D G ⁰_обр.(C₂Н₄)+2D G ⁰_обр(H₂)] - 2D G ⁰_обр.(CH₄)= [52,28 + 2(0)] -2(-74,86) = 202 кДж.

Поскольку D G ⁰_х.р. > 0, то данная реакция в стандартных условиях может протекать самопроизвольно в обратном направлении.

Пример 8.

Для реакции CH₃ОН_(ж) = CO_2(г) + 2H_2(г)определите знак изменения энтропии.

Энтропия (S ⁰₂₉₈) – это термодинамическая функция состояния, является мерой неупорядочности системы. Энтропия увеличивается: 1) с ростом температуры; 2) при переходе от твердого состояния к жидкому и от жидкого к газообразному состоянию; 3) в процессах расширения, например, газа; 4) в процессах растворения; 5) в химических реакциях, протекающих с увеличением объема. Наоборот, все процессы, связанные с

увеличением упорядочности (охлаждение, отвердевание, конденсация, сжатие, кристаллизация из растворов, химическая реакция, протекающая с уменьшением объема) сопровождаются уменьшением энтропии. Увеличение или уменьшения объема связано с количеством моль газа. Если в результате реакции увеличивается число моль газообразных веществ, т.е. увеличивается объем, следовательно, и энтропия возрастает (D S ⁰_х.р.>0), если происходит уменьшение числа моль газа, то D S ⁰_х.р.<0.

В данной реакции в исходных веществах газы отсутствуют, а в продуктах образуется (1 + 2)=3 моль газа, т.е. D n _газа=3-0= 3 моль. D n _газа>0, следовательно, D S ⁰_х..р.>0. Т.о. в ходе реакции идет увеличение энтропии системы.

Задачи

1. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(NH₃). Сколько тепла выделится, если в результате реакции образуется 2 моль NH₃?

2. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(H₂O). Cколько тепла выделится при образовании 1 кг H₂O_(ж)?

3. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(CH₃OH). Сколько тепла выделится, если прореагирует 1 г водорода?

4. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(Cr₂O₃). Сколько хрома окислилось, если в результате реакции выделилось 11,4 кДж тепла?

5. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(CH₃COOH). Сколько грамм и м³ (н.у.) кислорода пошло на окисление, если выделилось 87,38 кДж тепла?

6. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_сгор.(С₆H₆). Сколько тепла выделится, если в реакции участвуют 8 г кислорода?

7. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(CuSO₄). Сколько тепла выделится, если образуется 16 г сульфата меди?

8. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(SO₃.) Сколько тепла выделится, если расходуется 6,4 г серы?

9. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(FeO). Сколько тепла выделится, если образуется 144 г оксида железа?

10. Напишите термохимическое уравнение, соответствующее табличному значению D H ⁰_обр(KOH). Сколько тепла выделится, если образуется 2,8 г едкого кали?

11. На основании табличных данных D H ⁰_обр реагентов рассчитать тепловой эффект реакции 2 C(графит) + H₂(г) =C₂H_2(г). Определить к какому типу (экзо- или эндотермическая) она относится.

12. Пользуясь D H ⁰_обр реагентов, рассчитать тепловой эффект реакции

3 C₂H_4(г) = 2CH_4(г) + 2 C₂H_2(г).

13. Найти D H ⁰_х.р, пользуясь табличными значениями D H ⁰_обрдля реакции

C₂H₅OH_(ж) = C₂H_4(г) + H₂O_(ж).

14. Пользуясь табличными значениями D H ⁰_сгор., определить тепловой эффект реакции

6 С_{(графит)} +3 H_2(г) = C₆H_6(ж).

Экзо- или эндотермическая это реакция?

15. Рассчитать тепловой эффект реакции C_{(графит)} + 2H_2(г) = CH_4(г) на основании табличных значений D H ⁰_сгор.реагентов. С выделением или поглощением тепла протекает данная реакция?

16. Рассчитать количество выделенного тепла, если в процессе алюмотермии, описываемом уравнением 2 Al_(к) + Fe₂O_3(к) = Al₂O_3(к) + 2Fe_(к), прореагировало 2,7 кг алюминия. Необходимые данные взять из таблицы 1.

17. В основе работы медноокисного гальванического элемента лежит суммарная реакция Zn_(к) + CuO_(к) = ZnO_(к) + Cu_(к). Сколько тепла выделится или поглотится, если в реакции

участвуют 32,5г цинка?

18. Определить D H ⁰_х.рдля реакции 2 HCl_(г) + Ca_(к) = CaCl_2(к) + H_2(г), пользуясь D H ⁰_обр реагентов. Сколько молей HCl вступило в реакцию, если выделилось 171,75 кДж тепла?

19. Уравнение суммарной реакции, протекающей при получении железа в доменной печи:

Fe₂O_3(к) + 1,5 C_(кокс) = 1,5 CO_2(г) + 2 Fe_(к). Найти тепловой эффект реакции, пользуясь табличными значениями D H ⁰_обр. Сколько тепла затрачивается на получение 10 кг железа?

20. Пользуясь табличными значениями D H ⁰_обр реагентов, найти тепловой эффект реакции 2 Al_(к) + Cr₂O_3(к) =Al₂O_3(к) + 2Cr_(к). Сколько тепла выделилось при образовании 1 г хрома?

21. Сколько тепла поглотится по реакции ZnO_(к) + C_{(графит)} = Zn_(к) + CO_(г), если образуется 1 т цинка?

22. Моноксид углерода СО используют для получения железа из руды по реакции:

Fe₂O_3(к) + 3 CO_(г) = 2 Fe_(к) + 3 CO_2(г), DH⁰_х.р. = -27,43 кДж. Сколько м³ СО необходимо для получения 1 кг железа, какое количество теплоты при этом выделится?

23. D H ⁰_сгор. метана СН₄составляет – 890,31 кДж/моль. Почему метан представляет собой лучшее топливо, чем водяной газ (СО + Н₂)? Горение водяного газа описывается уравнением CO_(г) + H_2(г) + O_2(г) = CO_2(г) + H₂O_(ж)? Ответ дать на основании расчета.

24. Пользуясь табличными данными D H ⁰_обр, рассчитать тепловой эффект реакции получения водяного газа С_{(графит)} + H₂O_(ж) = CO_(г)+ H_2(г). Экзо- или эндотермическая это реакция?

25. Вычислить D H ⁰_сгор этилена (С₂Н₄) на основании энтальпии образования реагентов, учитывая, что продуктами реакции являются CO_2(г) и H₂O_(ж). Какое количество тепла выделится при горении 1 л этилена?

26. Какое количество теплоты выделится при сгорании 1л H₂S по реакции

2H₂S_(г) + 3 O_2(г) = 2H₂O_(ж) + 2 SO_2(г)?

27. Найти D H ⁰_сгор алмаза, если D H ⁰_сгорграфита = -393,5 кДж/моль, а энтальпия фазового перехода С_{(графит)} → С_(алмаз) DH⁰_фп =-1,88 кДж/моль.

28. На основании термохимического расчета D H ⁰_х..р. определите экзо- или эндотермической является реакция 3 SiO_2(к) + 4 Al_(к) = 2 Al₂O_3(к) + 3 Si_(к).

29. Какое количество теплоты, потребуется на разложение 10 кг карбоната натрия по реакции Na₂CO₃ _(к) = Na₂O_(к) + CO_2(г)?

30. Вычислить энтальпию образования HCl_(г), если при взаимодействии 1,12 л водорода с хлором выделяется 9,24 кДж тепла.

31. Вычислить энтальпию образования CO_2(г), если известно, что при полном сгорании 1 г углерода выделяется 32,8 кДж тепла.

32. Вычислить энтальпию образования FeO, если при взаимодействии 5,6 г железа с кислородом выделяется 26,5 кДж тепла.

33. Какое количество теплоты выделится при переходе 1 кг красного фосфора в черный по реакции P_{(красный)} → P_{(черный)}?

D H ⁰_{обр(Ркрасный)} = -18,41 кДж/моль, D H ⁰_{обр(Рчерный)} = -43,2 кДж/моль?

34. При образовании 1 г CCl₄ из простых веществ выделяется 0,67 кДж теплоты. Вычислите (D H ⁰_обр.) ССl₄.

35. При окисления 10,8 г серебра выделилось 1,58 кДж тепла. Найти D H ⁰_обр ( Ag₂O).

36. Пользуясь табличными значениями D H ⁰_обр найти D H ⁰_х.рдляреакции

3Fe_(к) + 4 H₂O_(г) = Fe₃O_4(к) + 4 H_2(г). Определите к какому типу (экзо- или эндотермическая реакция) она относится.

37. На окисление некоторого количества алюминия пошло 10 л (н.у.) кислорода. При этом выделилось 490 кДж тепла. Определить D H ⁰_обр ( Al₂O₃).

38. При окислении 10 г кальция выделилось 158,8 кДж тепла. Определить D H ⁰_обр ( СаО).

39. Вычислить D H ⁰ перехода Н₂О_(ж)® Н₂О_(г), на основании

следующих термохимических уравнений:

Н_2(г) + 0,5 О_2(г) = Н₂О_(г) D H ⁰_х.р = -241,8 кДж,

Н₂О_(ж) = Н_2(г) + 0,5 О_2(г) D H ⁰_х.р = 286,02 кДж.

40. На основании табличных значений D G ⁰_обр реагентов определить возможность самопроизвольного протекания реакции при стандартных условиях. Укажите знак D S ⁰_х.р. Ответ обоснуйте.

а) С_{(графит)} + СО_2(г) = 2СО_(г),

б) СаСО_3(к) = СаО_(к) + СО_2(г),

в) 2NO_(г) + O_2(г) = 2NO_2(г),

г) CO_(г)+ H₂O_(г) = CO_2(г) + H_2(г),

д) PCl_3(г) + Cl_2(г) = PCl_5(г),

е) 3 Fe_(к) + 4 H₂O_(г) = Fe₃O_4(к) + 4 H_2(г),

ж) CH_4(г) + I_2(г) = CH₃I_(ж) + HI_(г),

з) 2 CO_(г) + 2 H_2(г) = CH_4(г) + CO_2(г),

и) 2 SO_2(г) + O_2(г) = 2 SO_3(г),

к) 4 HCl_(г) + O_2(г) = 2 H₂O_(г) + 2Cl_2(г),

л) MgCO_3(к) = MgO_(к) + CO_2(г),

м) NH_3(г) + HCl_(г) = NH₄Cl_(к),