Примеры решения задач. Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий POCl3 и HCl

Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий POCl₃ и HCl. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж тепла. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указаны их агрегатные состояния, а также численные значения тепловых эффектов, называются термохимическими уравнениями. В термохимических уравнениях, как правило, указываются значения тепловых эффектов при P=const, равные изменению энтальпии системы D_rH (подстрочный индекс “r” между символами D и H обозначает изменение энтальпии реакции). Значение D_rH приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой. Если символ D_rH следует сразу за конкретной реакцией, к которой он относится, то подстрочный индекс “r” в D_rH опускается. Приняты следующие сокращения в обозначении агрегатного состояния веществ: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое. Изменение энтальпии в экзотермических реакциях имеет отрицательный знак [–D_rH], т.е. система выделяет часть своей внутренней энергии в окружающую среду в виде определенного количества теплоты. Изменение энтальпии в эндотермической реакции имеет положи­тельный знак [+D_rH ], т.к. система увеличивает запас своей внутренней энергии за счет приобретения энергии из окружающей среды.

Учитывая вышесказанное, составляем термохимическое уравнение указанной в примере реакции:

PCl_5(K)+H₂O_(Г) = POCl_3(Ж)+2HCl_(Г), DH = –111,4кДж.

Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением:

C₂H_6(Г) + 3,5O_2(Г) = 2CO_2(Г) + 3H₂O_(Ж), DH° = –1559,87кДж.

Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования CO_2(Г) и H₂O_(Ж) (табл. П2).

Решение. Теплотой (энтальпией) образования химического соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относятся к стандартному состоянию. За стандартное состояние принимается состояние чистого вещества, находящегося при данной температуре под давлением в 1 атм (101325 Па) в виде наиболее стабильной в этих условиях модификации. Температуру чаще всего берут 298,15 К (25 °С). В этом случае стандартная энтальпия образования вещества обозначается символом D_fH° (298К). Так как тепловой эффект в первом приближении мало зависит от температуры, допускается индекс температуры опускать.

Таким образом, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:

2C_{(ГРАФИТ)} + 3H_2(Г) = C₂H_6(Г), DH ° =?

исходя из следующих данных:

а) C₂H_6(Г)+3,5 O_2(Г) = 2 CO_2(Г) + 3 H₂O_(Ж), DH° = –1559,87 кДж;

б) C_{(графит)}+O_2(Г) = CO_2(Г), DH° = –393,51 кДж;

в) H_2(Г) + 0,5O_2(Г) = H₂O_(Ж), DH° = –285,84 кДж.

Закон Гесса позволяет обращаться с термохимическими уравнениями так же, как с алгебраическими. Для получения результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) – на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):

C₂H₆ + 3,5 O₂ – 2C – 2O₂ – 3H₂ – 1,5O₂ = 2CO₂ + 3H₂O – 2CO₂ – 3H₂O;

D_rH° = –1559,87 – 2(–393,51) – 3(–285,84) = 84,67 кДж;

C₂H_6(Г) = 2C_{(графит)} + 2H_2(Г), DH° =84,67 кДж.

Так как теплота образования вещества равна теплоте его разложения, взятой с обратным знаком, следовательно, D_fH °(C₂H_6(Г))= –84,67 кДж/моль.

К аналогичному результату приходим, решая задачу с применением 1-го следствия из закона Гесса:

D_rH° = [2моль×D_fH°(CO₂)+3 моль×D_fH°(H₂O)] – [1моль×D_fH°(C₂H₆) + + 3,5 моль×D_fH°(O₂)].

Учитывая, что энтальпии образования всех простых веществ в их стандартных состояниях принимают равными нулю,

–1559,87 кДж = 2 моль×(–393,51) кДж/моль + 3 моль×
(–285,84) кДж/моль – 1 моль D_fH°(C₂H₆) –3,5 моль× 0 кДж/моль.

Отсюда выражаем искомую величину, т.е. D_fH°(C₂H₆):

D_fH°(C₂H₆) = –84,67 кДж /1 моль = –84,67 кДж/моль.

Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением

C₂H₅OH_(Ж) + 3O_2(Г) = 2CO_2(Г) + 3H₂O_(Ж), DH°=?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что молярная теплота парообразования C₂H₅OH_(Ж) равна 42,36 кДж/моль и известны теплоты образования: C₂H₅OH_(Г); CO_2(Г); H₂O_(Ж) (табл. П2).

Решение. Для определения D_rH° необходимо знать энтальпию образования C₂H₅OH_(Ж), которую находим из данных:

C₂H₅OH_(Ж) = C₂H₅OH_(Г), DH° =42,36 кДж;

D_rH° =1 моль×D_fH° (C₂H₅OH_(Г)) – 1 моль×D_fH°(C₂H₅OH_(Ж));

42,36 кДж = 1 моль×(–235,31) кДж/моль – 1 моль×D_fH°(C₂H₅OH_(Ж));

DH°(C₂H₅OH_(Ж)) = –277,67 кДж/моль.

Затем вычисляем D_rH°, применяя 1-е следствие из закона Гесса:

D_rH° = [2 моль×D_fH° (CO₂) + 3 моль×D_fH° (H₂O)] – [1 моль×D_fH° (C₂H₅OH) +3 моль×D_fH°(O₂)]= 2 моль×(–393,51) кДж/моль + 3 моль×
(–285,84) кДж/моль – 1 моль×(–277,67) кДж/моль – 3 моль× 0 кДж/моль = –1366,87 кДж.

Контрольные вопросы

76. Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fe₂O₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа. Ответ: –2543,1 кДж.

77. Газообразный этиловый спирт C₂H₅OH можно получить при взаимодействии этилена C₂H_4(Г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.
Ответ: –45,76 кДж.

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

FeO_(К)+CO_(Г) = Fe_(К) + CO_2(Г), DH° = –13,18 кДж;

CO_(Г) +0,5О_2(Г) = CO_2(Г), DH° = –283,0 кДж;

H_2(Г)+0,5О_2(Г)=H₂O_(Г), DH° = –241,83 кДж.

Ответ: 27,99 кДж.

79. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS_2(Г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: 65,43 кДж.

80. Напишите термохимическое уравнение реакции между CO_(Г) и водородом, в результате которой образуются CH_4(Г) и H₂O_(Г) Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на н.у.? Ответ: 618,48 кДж.

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

4NH_3(Г) + 5O_2(Г) = 4NO_(Г) + 6H₂O_(Ж), DH° = –1168,80 кДж;

4NH_3(Г) + 3O_2(Г) = 2N_2(Г) + 6H₂O_(Ж), DH° = –1530,28 кДж.

Ответ: 90,37 кДж/моль.

82. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислите её тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на н.у.? Ответ: 78,97 кДж.

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

Н_2(Г) + 0,5О_2(Г) = Н₂О_(Ж), DН° = –285,84 кДж;

С_(К) + О_2(Г) = СО_2(Г), DН° = –393,51 кДж;

СН_4(Г) + 2О_2(Г) = 2Н₂О_(Ж) + СО_2(Г), DН° = –890,31 кДж.

Ответ: –74,88 кДж/моль.

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

Са_(К) + 0,5О_2(Г) = СаО_(К), DН° = –635,6 кДж;

Н_2(Г) + 0,5О_2(Г) = Н₂О_(Ж), DН° = –285,84 кДж;

CаО_(К) + Н₂О_(Ж) = Са(ОН)_2(К), DН° = –65,06 кДж.

Ответ: –986,50 кДж/моль.

85. 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). Ответ: 49,03 кДж/моль.

86. Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 16,5л (н.у.) ацетилена С₂Н₂, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды. Ответ: 924,88 кДж.

87. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксида азота (II). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 44,8 л NO в пересчете на н.у.? Ответ: 452,37 кДж.

88. Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением СН₃OH_(Ж) + 1,5О_2(Г) = СО_2(Г) + 2Н₂О_(Ж), DН° =?.

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что молярная теплота парообразования СН₃ОН_(Ж) равна 37,4 кДж/моль.
Ответ: –726,62 кДж.

89. При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и оксида углерода (IV). Вычислите теплоту образования С₂Н₅ОН_(Ж). Ответ: –277,67 кДж/моль.

90. Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением

С₆Н_6(Ж) + 7,5×О_2(Г) = 6СО_2(Г) + 3Н₂О_(Г), DН° =?.

Вычислите тепловой эффект, если известно, что молярная теплота парообразования бензола равна 33,9 кДж/моль. Ответ: –3135,58 кДж.

91. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С₂Н_6(Г), в результате которой образуются пары воды и оксида углерода (IV). Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ этана в пересчете на н.у.?

Ответ: 6342,86 кДж.

92. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением

4NH_3(Г) + 3O_2(Г) = 2N_2(Г) + 6Н₂О_(Ж), DН° = –1530,28 кДж.

Вычислите теплоту образования NН_3(Г). Ответ: –46,19 кДж/моль.

93. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS. Ответ: –100,26 кДж/моль.

94. При сгорании 1 л ацетилена (н.у.) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и оксид углерода (IV). Вычислите теплоту образования С₂Н_2(Г). Ответ: 226,75 кДж/моль.

95. При получении гидроксида кальция из СаО_(К) и Н₂О_(Ж) массой, равной его молярной массе эквивалентов, выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция. Ответ: –635,6 кДж/моль.

96. Вычислите теплоту образования N₂О_(Г) на основании термохимического уравнения

С_(К) + 2N₂О_(Г) = СО_2(Г) + 2N_2(Г), DН° = –557,5 кДж.

Ответ: 82 кДж/моль.

97. Определите стандартное изменение энтальпии D_rН° следующего процесса:

СН_4(Г) + 2О_2(Г) = СО₂ + 2Н₂О_(Г).

Ответ: –802,32 кДж.

98. Определите стандартную теплоту образования хлорида аммония, если термохимическое уравнение образования NH₄Cl имеет вид

NH_3(Г) + HCl_(Г) = NH₄Cl_(К), DН° = –176,93 кДж.

Ответ: –315,43 кДж/моль.

99. Определите D_fН° этилена, используя следующие данные:

C₂Н_4(Г) + 3О_2(Г) = 2СО_2(Г) + 2Н₂О_(Г), DН° = –1323 кДж;

С_{(графит)} + О_2(Г) = СО_2(Г), DН2° = –393,5 кДж;

Н_2(Г) + 0,5О_2(Г) = Н₂О_(Г), DН° = –241,8 кДж.

Ответ: 52,4 кДж/моль.

100. При полном сгорании этилена с образованием жидкой воды выделилось 6226 кДж. Найдите объем кислорода, вступившего в реакцию (н.у.). Ответ: 296,5 дм³.