Таблица 9. Стандартные теплоты (энтальпии) образования некоторых веществ

Вещество	Состояние	ΔН0293, кДж/моль	Вещество	Состояние	ΔН0298, Дж/моль
C2H2	г	+226,75	СО	г	—110.52
CS2	г	+115,28	СНзОН	г	—201,17
NO	г	+90,37	C2H5OH	г	—235,31
C6H6	г	+82,93	Н2О	г	—241,83
C2H4	г	+52,28	Н2O	ж	—285,84
H2S	г	—20,60	NH4C1	к	—315,39
NH3	г	—46,19	СO2	г	—393,51
СН4	г	—74,85	Fe2O3	к	—882,10
C2H6	г	—84,67	Са(ОН)2	к	—986,50
НС1	г	—92,31	А12O3	к	—1669,80

 

    Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением: С₂Н_6(г) + 3,5 О_2(г) = 2 СО_2(г) + 3 H₂O_(ж), ΔH_х.р.=-1559,87 кДж

Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО_2(г) и Н₂О_(ж) (табл. 9).

Р е ш е н и е. Теплотой образования (энтальпией) данного соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относят к стандартному состоянию, т. е. 25 °С (298 К) и 1,013·10⁵ Па, и обозначают через ∆H⁰₂₉₈. Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то здесь и в дальнейшем индексы опускаются и тепловой эффект обозначается через ∆Н. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:

2 С_{(графит)} + 3 Н_2(г) = С₂Н_6(г), ∆Н=?

исходя из следующих данных:

а) С₂Н_6(г) + 3,5 О_2(г) = 2 СО_2(г) + 3 Н₂О_(ж); ∆Н=-1559,87кДж

б) С_{(графит)} + О_2(г) = СО_2(г);                 ∆Н=-393,51кДж

в) Н_2(г) + 0,5 О_2(г) = Н₂О_(ж);                    ∆Н=-285,84кДж

    На основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение б) умножить на 2, уравнение (в) умножить на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):

С₂Н₆ + 3,5 О₂ – 2 С – 2 О₂ – 3 Н₂ - 1,5 О₂ = 2 СО₂ + 3 Н₂О – 2 СО₂ – 3 Н₂О

∆Н=-1559,87-2(-393,51)-3(-285,84)=+84,67кДж

С₂Н₆ = 2 С + 3 Н₂          ∆Н=+84,67кДж

Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то ΔH(С₂Н₆)=+84,67. К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:

 

Учитываем, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю:

ΔH_С2Н6= 2(-393,51)+3(-285,84)+1559,87= -84,67;

Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:

С₂Н₅ОН_(ж) + 3 О_2(г) = 2 СО_2(г) + 3 Н₂О_(ж); ΔH=?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что молярная теплота парообразования С₂Н₅ОН _(п) равна +42,36 кДж и известны теплоты образования: С₂Н₅ОН _(г), СО_{2 (г)}, Н₂О _(ж) (см. табл. 9).

Р е ш е н и е. Для определения теплового эффекта реакции ΔH необходимо знать теплоту образования С₂Н₅ОН _(ж). Последнюю находим из данных задачи: С₂Н₅ОН_(ж) = С₂Н₅ОН_(г); ∆Н=+42,36 кДж

     +42,36=-235,31-∆Н

Вычисляем ΔH реакции, применяя следствия из закона Гесса:

 

Контрольные задания

156. Используя справочные данные, определите изобарный тепловой эффект ∆Н⁰₂₉₈ химической реакции: 2 CO_(г) + 3 H_2(г)  C₂H_2(г) + 3 H₂O_(ж)

Сделайте вывод о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции.

157. Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fе₂О₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.

158. Газообразный этиловый спирт C₂H₅OH можно получить при взаимодействии этилена С₂Н_4(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.

159. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

FeO_(к) + СО_(г) = Fe_(к) + СО_2(г); ∆Н = —13,18кДж.

СО_(г) + ½ О_2(г) = СО_2(г);     ∆Н = —283,0 кДж. 

Н_2(г) + ½ О_2(г) = Н₂О_(г);    ∆Н =—241,83 кДж.

160. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS_2(г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.

161. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО (г) и водородом, в результате которой образуются СН_4(г) и Н₂О_(г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана (в пересчете на нормальные условия)?

162. Используя справочные данные, определите изобарный тепловой эффект ∆Н⁰₂₉₈ химической реакции: C₂H_4(г) + 3 О_2(г)          2 СO_2(г) + 2 H₂O_(ж)

 Сделайте вывод о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции.

163. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования NO? Вычислите теплоту образования NO, исходя из следующих термохимических уравнений:

4 NH_3(г) + 5 O_2(г) = 4 NO_(г) + 6 Н₂О_(ж); ∆Н = -1168,80 кДж.

4 NH_{3 (г)} + З О_{2 (г)} =2 N_{2 (г)} + 6 Н₂О _(ж); ∆Н =1530,28 кДж.

164. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода, напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия?

165. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования метана? Вычислите теплоту образования метана, исходя из следующих термохимических уравнении:

Н_2(г) + 0,5 О_2(г) = Н₂О_(ж);            ∆Н=-285384кДж

С_(к) + О_2(г) = СО_2(г);                    ∆Н=-393,51кДж

СН_4(г) + 2 О_2(г) = 2 Н₂О_(ж) + СО_2(г) ∆Н=-890,31кДж

166. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования гидроксида кальция? Вычислите теплоту образования гидроксида кальция, исходя из следующих термохимических уравнений:

Са_(к) + 0,5 О_2(г) = СаО_(к);     ∆Н=-635,60кДж

Н_2(г) + 0,5 О_2(г) = Н₂О _(г);                    ∆Н=-285,84кДж

СаО_(к) + Н₂О_(ж) = Са(ОН)_2(к); ∆Н=-65,06кДж

167. Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и диоксида углерода равен — 3135,58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования С₆Н_6(ж).

168. Используя справочные данные, определите изобарный тепловой эффект ∆Н⁰₂₉₈ химической реакции: CH_4(г) +2 H₂O_(г) CO_2(г) + 4 H_2(г)

Сделайте вывод о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции.

169. Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 165л (н. у.) ацетилена С₂Н₂, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды?

170. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид      азота (II). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 44,8 л NO в пересчете на нормальные условия?

171. Реакция горения метилового спирта выражается уравнением:          СН_зОН_(ж) + ³/₂ О_2(г) = СО_{2 (г)} + 2 Н₂О_(ж). Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования СН_зОН_(ж) равна   +37,4 кДж.

172. При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С₂Н₅ОН (ж).

173. Реакция горения бензола выражается химическим уравнением:

С₆Н_{6 (ж)} + 7'/₂О_{2 (г)} = 6 СО_{2 (г)} + З Н₂О_(г).

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования бензола равна+33,9 кДж.

174. Используя справочные данные табл. 9, определите изобарный тепловой эффект ∆Н⁰₂₉₈ химической реакции: 4 HCl_(г) + О_2(г) 2 H₂O_(г) + Cl_2(г). Сделайте вывод о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции.

175. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С₂Н_6(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ этана в пересчете на нормальные условия?

176. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4 NH_3(г) + 3 О_2(г) = 2 N_2(г) + 6 Н₂О_(ж) ΔH = -1530,28 кДж.

Вычислите теплоту образования NH_3(г).

177. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS.

178. При сгорании 1л ацетилена (н. у.) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С₂Н_{2 (г)}.

179. При получении 28 г гидроксида кальция из СаО _(к) и Н₂О_(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция.

180. Используя справочные данные, определите изобарный тепловой эффект ∆Н⁰₂₉₈ химической реакции: CO_(г) + 3 H_2(г) CH_4(г) + H₂O_(г)

Сделайте вывод о выделении или поглощении теплоты в процессе реакции.

Химическое сродство

При решении задач этого раздела используйте данные табл. 9—11.

Самопроизвольно могут протекать реакции, сопровождающиеся не только выделением, но и поглощением теплоты.

Реакция, идущая при данной температуре с выделением теплоты, при другой температуре проходит с поглощением теплоты. Здесь проявляется диалектический закон единства и борьбы противоположностей. С одной стороны, система стремится к упорядочению (агрегации), к уменьшению ∆Н, с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением, а вторая — с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.

Энтропия S, так же, как внутренняя энергия U, энтальпия H, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. S, U, H, V обладают аддитивными свойствами, т. е. при соприкосновении системы суммируются. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, ослаблении или разрыве связей между атомами. Процессы, связанные с упорядоченностью системы: конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и ведут к уменьшению энтропии. Энтропия является функцией состояния, т. е. ее изменение (ΔS) зависит только от начального (S₁) и конечного (S₂) состояния и не зависит от пути процесса:

∆S_х.р. = ΣS⁰_прод. - ΣS⁰_исх.     ∆S = S₂-S₁. Если S₂>S₁, то ∆S>О. Если S₂<S₁, то ∆S<О.

    Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка приблизительно равна Т∆S. Энтропия выражается в Дж/моль×К. Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (Н) и стремления к беспорядку (TDS). При p=const и T=const общую движущую силу процесса, которую обозначают ∆G, можно найти из соотношения: ∆G = (Н₂-Н₁) - (Т₂S₂-Т₁S₁); ∆G = ∆H - T∆S

     Величина G называется изобарно-изотермическим потенциалом, или энергией Гиббса. Мерой химического сродства является убыль энергии Гиббса ( G), которая зависит от природы вещества, его количества и от температуры. Энергия Гиббса является функцией состояния, поэтому:

    Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения изобарно-изотермического потенциала G. Если G<O, процесс принципиально осуществим; если G>0, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше G, тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором G=0 и H=T S.

    Из соотношения G = H — T S видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых H>0 (эндотермические). Это возможно, когда S>0, а |T S|>| H|, и тогда G<0. С другой стороны, экзотермические реакции ( H<0) самопроизвольно не протекают, если при S<0 окажется, что G>0.