Энергетика химических реакций

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Задачи на закон Гесса и его следствия

1. Определите тепловой эффект реакции C₂H₅OH_(ж) + 3О_2(г) ® 2СО_2(г) + 3Н₂O_(ж). Теплоты образования C₂H₅OH_(ж), СО_2(г) и Н₂О_(ж) равны 277,6; 393,5 и 285,8 кДж/моль соответственно.

Решение:

Q (реакции) = 2 Q (образования СО_2(г)  + 3 Q (образования Н₂О_(Ж)) – Q (образования С₂Н₅ОН_(ж))

Теплота образования кислорода равна нулю, так как это простое вещество.

Q (реакции) = 393,5 ∙ 2 + 285,8 ∙ 3 – 277,6 = 787 + 857,4 – 277,6 = 1366,8 кДж.

Ответ: Q (реакции) = 1366,8 кДж.

2. Определите тепловой эффект реакции С₂Н_2(г) + 2 Н_2(г) ® С₂Н_6(г). Теплоты сгорания С₂Н_2(г), Н_2(г) и С₂Н_6(г)  равны 1303, 287 и 1563 кДж/моль соответственно.

Решение:

Q (реакции) = Q (сгорания С₂Н_2(г)) + 2 Q (сгорания Н_2(г)) – Q (сгорания С₂Н_6(г))

Q (реакции) = 1303 + 287 ∙ 2 – 1563 = 1303 + 574 – 1563 = 314 кДж.

Ответ: Q (реакции) = 314 кДж.

3. Тепловые эффекты растворения MgSO₄ и MgSO₄×7H₂O в воде соответственно равны 84,8 и –15,9 кДж/моль. Какова теплота гидратации при переходе MgSO₄ в MgSO₄ × 7 H₂O.

Решение:

Процесс растворения безводного сульфата магния в воде можно представить как последовательность процесса гидратации соли с превращением ее в кристаллогидрат и процесса растворения кристаллогидрата, поэтому:

Q (растворения MgSO₄) = Q (гидратации MgSO₄ в MgSO₄×7H₂O) + Q (растворения MgSO₄×7H₂O).

Q (гидратации MgSO₄ в MgSO₄×7H₂O) = Q (растворения MgSO₄) – Q (растворения MgSO₄×7H₂O) = 84,8 – (–15,9) = 100,7 кДж/моль.

Ответ: Q (гидратации MgSO₄ в MgSO₄×7H₂O) = 100,7 кДж/моль.

Задачи для самостоятельного решения по этой теме

4. Определите тепловой эффект реакции: C₂H₅OH_(ж) ® C₂H_4(г) + H₂O_(ж), если известно, что теплоты образования C₂H₅OH, C₂H₄ и H₂O равны 277,6; –52,3 и 285,8 кДж/моль соответственно. Ответ: Q = – 44,1 кДж.

5. Определите тепловой эффект реакции C₂H₅OH_(ж) + CH₃COOH_(ж) ® CH₃COOC₂H_5(ж) + H₂O_(ж). Теплоты сгорания CH₃COOH, C₂H₅OH и CH₃COOC₂H₅ равны: 1366,9; 871,5 и 2254,2 кДж/моль соответственно. Ответ: Q = – 15,8 кДж.

6. Тепловой эффект растворения BaCl₂ в воде равен 8,66 кДж/моль. А теплота гидратации этой соли при переходе в BaCl₂×2H₂O 290,2 кДж/моль. Какова теплота растворения BaCl₂×2H₂O? Ответ: Q = – 281,54 кДж/моль.

 

Задачи на введение неизвестных и составление системы уравнений

7. При взаимодействии 31 г фосфора с хлором выделилось 400 кДж теплоты, и образовалась смесь хлоридов фосфора(III) и (V). Определите объем прореагировавшего хлора (н.у.), если теплоты образования хлорида фосфора(III) и хлорида фосфора(V) равны 318 и 455 кДж/моль соответственно.

Решение:

1) Записываем термохимические уравнения реакций и рассчитываем количество вещества фосфора, вступившего в реакции:

                                 P_(тв) + 1,5Cl_2(газ) ® PCl_3(ж) + 318 кДж

                                 P_(тв) + 2,5Cl_2(газ) ® PCl_5(тв) + 455 кДж

n (Р) = 31 / 31 = 1 моль.

2) Обозначим количество вещества фосфора, вступившего в первую реакцию за х моль и количество вещества фосфора, вступившего во вторую реакцию за у моль

3). Составим систему уравнений и решим ее:

х + у = 1                  ∙ 455 455 х + 455 у = 455 137 х = 55   у = 1 – 0,401

318 х + 455 у = 400              318 х + 455 у = 400 х = 0,401     у = 0,599

4) Рассчитываем количество вещества хлора, вступившего в обе реакции и определяем его объем:

n (Cl₂) = 1,5 х + 2,5 у = 0,401 ∙ 1,5 + 0,599 ∙ 2,5 = 2,1 моль.

V (Cl₂) = 2,1 ∙ 22,4 = 47 л.

Ответ: V(Cl₂) = 47 л.

8. 22 г предельного одноатомного спирта нагрели в присутствии серной кислоты. При этом образовалось 18,4 г смеси простого эфира и трех изомерных алкенов. Определите структурную формулу исходного спирта и массу образовавшегося простого эфира, если известно, что при сжигании 10 г исходного спирта выделяется 370,5 кДж тепла, а теплота сгорания его равна 3260 кДж/моль.

Решение:

1) Определяем молярную массу и молекулярную формулу исходного спирта:

n (в 10 г спирта) = Q / Q (сгорания) = 370,5 / 3260 = 0,1137 моль.

М (спирта) = 10 / 0,1137 = 88 г/моль.

Общая формула гомологического ряда предельных одноатомных спиртов — С_nН_{2n + 1}ОН;

12n + 2n + 1 + 17 = 88; 14n = 70; n = 70 / 14 = 5. Молекулярная формула спирта С₅Н₁₁ОН.

2) Записываем уравнения химических реакций, обозначив количество спирта, превратившегося в алкены за х моль, и количество спирта, превратившегося в простой эфир за у моль.

                     x                                                     у

              С₅Н₁₁ОН ® С₅Н₁₀ + Н₂О;      2С₅Н₁₁ОН ® С₅Н₁₁ОС₅Н₁₁ + Н₂О

                                        x     х                                               0,5у             0,5у

3) Рассчитываем количества вещества спирта и образовавшейся воды, составляем систему уравнений и находим массу простого эфира:

n (спирта) = 22 / 88 = 0,25 моль. m (выделившейся воды) = 22 – 18,4 = 3,6 г.

n (Н₂О) = 3,6 / 18 = 0,2 моль.

х + у = 0,25       0,5 у = 0,05

х + 0,5 у = 0,2

m (С₅Н₁₁ОС₅Н₁₁) = 0,05 ∙ 158 = 7,9 г.

4) Определяем структурную формулу исходного спирта:

Из восьми изомерных спиртов формулы С₅Н₁₁ОН только пентанол–2 может образовать смесь трех изомерных алкенов:

Ответ: m (С₅Н₁₁ОС₅Н₁₁) = 7,9 г; пентанол–2.

Задачи для самостоятельного решения по этой теме

9. При сжигании некоторого количества смеси серы с фосфором выделилось 315 кДж теплоты, а на полную нейтрализацию раствора продуктов сгорания в воде потребовалось 246 мл раствора гидроксида натрия с массовой долей щелочи 20 % и плотностью 1,22 г/мл. Определите массовые доли веществ в исходной смеси, если известно, что теплоты образования оксида фосфора(V) и оксида серы(IV) равны 1507 и 297 кДж/моль соответственно. Ответ: w (S) = 50,8%, w (Р) = 49,2%.

10. 29 г насыщенного одноатомного спирта нагрели в присутствии серной кислоты и получили смесь пяти изомерных алкенов и простого эфира массой 24,95 г. Определите выход простого эфира в расчете на взятый спирт. Предложите структурные формулы исходного спирта и полученных алкенов, если известно, что при сжигании 10 г спирта выделяется 301,7 кДж теплоты, а теплота сгорания его равна 3500 кДж/моль. Ответ: Выход 20%, 3-метилгексанол-3.

11.* Два из трех газов (сероводород, кислород и водород) смешали и получили газовую смесь, плотность которой равна плотности третьего газа. Полученную газовую смесь смешали с равным объемом третьего газа и под давлением поместили в сосуд емкостью 2,8 л, заполненный водородом при нормальных условиях, и сосуд закрыли. В результате поджигания смеси газов в сосуде выделилось 219 кДж теплоты. Определите объемы взятых газов (н.у.), если известно, что теплота окисления сероводорода до серы и воды равна 246 кДж/моль, а теплоты сгорания водорода и сероводорода равны 286 и 560 кДж/моль соответственно.Ответ: V (O₂) = 11,2 л; V (H₂S) =10,5 л; V (H₂) = 0,7 л.