Тепловой эффект химических реакций. Термохимические расчеты

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии обычно в виде теплоты. Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических процессов, называется термохимией.Тепловые эффекты реакций можно определить как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, выделенное или поглощенное в результате химического взаимодействия. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, сопровождающиеся поглощением теплоты – эндотермическими.

Подавляющее большинство химических реакций – изобарные процессы. Поэтому целесообразно оценивать энергетический или тепловой эффект реакции изменением энтальпии системы. Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, равен изменению энтальпии системы Qp = ΔH.

В экзотермических реакциях теплота выделяется в окружающее пространство, энтальпия или внутренняя энергия системы уменьшается и значения ΔH и ΔU для них отрицательны (ΔН < 0, ΔU < 0). В эндотермических реакциях теплота поглощается из окружающего пространства, энергосодержание системы увеличивается и изменения Δ H и ΔU положительны (ΔН > 0, ΔU > 0).

Уравнения химических реакций, в которых указаны тепловые эффекты и агрегатные состояния веществ называют термохимическими уравнениями.

В термохимических уравнениях указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация реагирующих и образующихся веществ: (г) – газовое, (ж) – жидкое, (к) – кристаллическое, (т) – твердое, (р) – растворенное и др.

Например, термохимическое уравнение синтеза воды имеет вид

2(г) + О2(г) = 2Н2О(ж) ; ΔH0298 = -571,6 кДж

из уравнения следует, что реакция является экзотермической (ΔН < 0) и при взаимодействии 2 моль водорода и 1 моль кислорода образуется 2 моль воды и выделяется 571,6 кДж теплоты.

По термохимическим уравнениям реакций можно проводить различные расчеты. Для решения задач по термохимическим уравнениям нужно записать уравнение протекающей реакции, затем на основе данных составить пропорцию и решить ее.

Пример №1. Вычислите по термохимическому уравнению

(к) + 5О2(г) = 2Р2О5(к) ; ΔH= –3010кДж

количество телоты, выделяемой при сгорании 6,2 г фосфора.

Решение: Рассчитаем количество вещества фосфора:

n(P) = m(P)/M(P) = 6,2/31 = 0,2 моль

Составим пропорцию и найдем количество теплоты:

при сгорании 4 моль Р - выделяется 3010 кДж теплоты;

при сгорании 0,2 моль Р - выделяется X кДж теплоты;

4/0,2 = 3010/ X; X = (0,2 · 3010)/4 = 150,5 кДж.

Пример №2. Составьте термохимическое уравнение реакции горения магния, если известно, что при сгорании 6 г магния выделилось 153,6 кДж теплоты.

Решение.Рассчитаем количество вещества сгоревшего магния:

n(Mg) = m(Mg)/M(Mg) = 6/24 = 0,25 моль.

Составим уравнение реакции горения:

2Mg(т) + O2(г) = 2MgO(т)

найдем количество теплоты, которое выделяется при сгорании 2 моль:

при сгорании 0,25 моль магния - выделяется 153,6 кДж;

при сгорании 2 моль магния - выделяется X кДж теплоты;

0,25/2 = 153,6/X; X = (2 · 153,6)/0,254 = 1228,8 кДж.

Следовательно, термохимическое уравнение реакции имеет вид

2Mg(т) + O2(г) = 2MgO(т); ΔH = –1228,8 кДж

Пример №3.По термохимическому уравнению

С(т) + О2(г) = СО2 (г) ; ΔH = – 394 кДж

Определите, сколько литров оксида углерода (IV) (н.у.) образуется, если выделяется 591 кДж теплоты?

Решение.Рассчитаем, при образовании какого количества оксида углерода (IV) выделяется 591 кДж теплоты. Исходя из уравнения реакции составим пропорцию:

При образовании 1 моль СО2(н.у.) выделяется 394 кДж теплоты;

При образовании X моль СО2(н.у.) выделяется 591 кДж теплоты;

1/X = 394/591; X = 591/394 = 1,5 моль СО2(н.у.).

По следствию из закона Авогадро: 1 моль любого газа (при н.у.) занимает объем 22,4 л, составим пропорцию:

1 моль СО2(н.у.) занимает объем 22,4 л;

1,5 моль СО2(н.у.) занимают X л;

1/1,5 = 22,4/X; X = 1,5 · 22,4/1 = 33,6 л.

Для того, чтобы можно было сравнить тепловые эффекты различных процессов термохимические расчеты обычно относят к 1 моль вещества и стандартным состояниям и условиям. За стандартные условия приняты: давление 101 325 Па и температура 25 0С (298 К). Стандартным состоянием вещества является состояние, устойчивое при стандартных условиях. Тепловой эффект при стандартных условиях называется стандартным тепловым эффектом реакции и обозначается ΔH0298 или ΔH0.

Основным законом термохимии является закон Г.И.Гесса (1841г.): тепловой эффект химического процесса зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от пути процесса, т.е. числа и характера промежуточных стадий.

Загрузка...

Так, процесс превращения исходных веществ (состояние 1) в продукты (состояние 2) может быть осуществлен несколькими путями, представленными на рис.3;

ΔH

τ

Рис.3. Изменение энтальпии реакции с течением времени

По закону Гесса тепловой эффект процесса может быть рассчитан следующим образом:

ΔH1 = ΔH2 + ΔH3 + ΔH4 + ΔH5 = ΔH6 + ΔH7

Согласно следствию из закона Гесса: тепловой эффект реакции равен разности суммы энтальпий образования продуктов реакции и суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

ΔH0 = ∑ΔH0f прод - ∑ ΔH f исх.

Для расчета теплового эффекта реакции используют энтальпии (теплоты) образования веществ. Энтальпией образования называется тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ.

Стандартные энтальпии образования обозначают ΔH0обр,298или ΔH0f,298 , где индекс f - formation (образование). Часто один из индексов опускают. Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (газообразный кислород O2(г), жидкий бром Br2(ж), кристаллический иод I2(к), ромбическая сера S(р) , углерод C(графит) и т.д.), равны нулю.

Стандартной энтальпией образования называется изменение энтальпии в реакции образования 1 моль химического соединения из простых веществ, измеренное в стандартных условиях.

С помощью термохимических расчетов можно определить тепловой эффект реакций, энергию химических связей, энергию кристаллической решетки, межмолекулярного взаимодействия, энтальпию растворения и сольватации (гидратации), энергетические эффекты фазовых превращений и т.д.

Значения стандартных энтальпий образования ряда веществ приведены в Приложении 1.

Пример №4.На основаниизначений стандартной энтальпии образования вычислите тепловой эффект реакции, сделайте вывод, экзотермической или эндотермической она является:

Сu2S(к) + 2 O2(г) = 2 CuO(к) + SO2(г)

Решение.Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ:

Соединение Cu2S(к) O2(г) CuO(к) SO2(г)
ΔH0f ,кДж/моль -82,01 -165,3 -296,9

Согласно следствию из закона Гесса:

ΔH0 = (2 ΔH0f, CuO(к) + ΔH0f, SO2(г)) - ( ΔH0f, Cu2S(к) + 2 ΔH0f, O2(г)) =

= [2(-165,3) + (-296,9)] – (-82,01 + 2 · 0) = -545,5 кДж.

Так как ΔH0 < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 545,5 кДж тепла.

Пример №5.Рассчитайте тепловой эффект реакции взаимодействия кристаллического оксида алюминия и газообразного оксида серы (IV):

Al2O3(к) + 3 SO3(г) = Al2(SO4)3(к)

Решение.Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ:

Соединение Al2O3(к) SO3(г) Al2(SO4)3(к)

ΔH0f ,кДж/моль -1676,0 -396,1 -3442,2

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

ΔH0 = ΔH0f, Al2(SO4)3) – ( ΔH0f, Al2O3) + 3 ΔH0f, SO3(г)) =

= (-3442,2) – [(1676,0 + 3(-396,1)] = -577,9 кДж.

Так как ΔH0 < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 577,9 кДж энергии.

Пример №6.Рассчитать тепловой эффект реакции образования сероуглерода CS2 и паров воды из газообразных сероводорода и оксида углерода (IV).

2H2S(г) + CO2(г) = CS2(г) + 2H2O(г)

Решение.Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Соединение H2S(г) СO2(г) CS2(г) H2O(г)

ΔH0f ,кДж/моль -20,15 -393,51 115,28 -241,88

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

ΔH0 = [ ΔH0f,CS2 (г) + 2ΔH0f,H2O (г)] – [2ΔH0f,H2S (г)+ ΔH0f,CO2 (г) ]=

= [115,28 +2(-241,88)] – [2(-20,15) + (-393,51)] = 65,33 кДж

Тепловой эффект реакции составляет ΔH0 = 65,33 кДж, так как ΔH0 > 0, следовательно, реакция эндотермическая, протекает с поглощением тепла.

Пример №7.Определить тепловой эффект растворения КОН.

КОН (к) = К+(р) + ОН-(р)

Решение.Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Соединение КОН(к) К+(р) ОН-(р)

ΔH0f ,кДж/моль -425,8 -251,2 -230,2

ΔH0раств. = (ΔH0f ,К(к)+ + ΔH0f,ОН(р)-) - ΔH0f,КОН(к)) =[(-251,2) + (230,2)] – (-425,8) = -55,6 кДж

Процесс растворения щелочи экзотермический, сопровождается выделением 55,6 кДж.

Пример №8.Определитетепловой эффект фазового перехода:

SO3(ж) = SO3(г)

Решение:Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования.

Соединение…………. SO3 (ж) SO3 (г)

ΔH0f ,кДж/моль…….. -439,0 -396,1

Тепловой эффект фазового перехода рассчитывается по уравнению:

ΔH0исп. = (ΔH0f ,SO3 (г) ) – (ΔH0f ,SO3 (ж)) =(-396,1) – (-439,0) = 42,9 кДж

Процесс испарения оксида серы (VI) эндотермический, требует затраты энергии в 42,9 кДж.




Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

86 − = 81