При твердении протекает реакция 4 страница

Q_р = ΔU + ρΔV,

Q_р = (U₂ — U₁) + ρ(V₂ – V₁)

Сумму U + ρV обозначим через Н, тогда

Q_р= Н₂- Н₁= ΔН

Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при р=соnst и T=сопst приобретает свойство функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в иэобарно-иэотермическом процессе Q_p равна изменению энтальпии системы ΔН (если единственным видом работы является работа расширения):

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния; ее изменение {ΔН} определяется только начальными и конечными состояниями системы и не зависит от пути перехода. Нетрудно видеть, что теплота реакции в иэохорно-изотермическом процессе (Vсonst; T=соnst), при котором ΔV = 0, равна изменению внутренней энергии системы :Q_v=ΔU

Теплоты химических процессов, протекающих при р,Т=соnst V,T=const, называют тепловыми аффектами.

При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и ΔН < О (H₂ < H₁), а при эндотермических энтальпия системы увеличивается и ΔH > О (H₂>H₁). В дальнейшем тепловые эффекты всюду выражаются через ΔН.

Термохимические расчеты основаны на законе Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.

Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции ΔH_х.р. равен сумме теплот образования ΔН_обр продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.

Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий РОС1з и хлористый водород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указываются их агрегатные состояния или кристаллическая модификация, а также численное значение тепловых эффектов, называют термохимическими. В термохимических уравнениях, если это специально не оговорено, указываются значения тепловых эффектов при постоянном давлении Q_р равные изменению энтальпии системы ΔН.

Значение ΔН приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой или точкой с запятой. Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния веществ: г — газообразное, ж — жидкое, к — кристаллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно.

Если в результате реакции выделяется теплота, то ΔН < О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

РCl₅(к) + H₂O(г) = POCl₃(ж) + 2HCl(г); ΔН_х.р.=-111,4кДж

Таблица 4. Стандартные теплоты (энтальпии) образования ΔН^о₂₉₈ некоторых веществ

Вещество	Состояние	ΔН^о_298, кДж/моль	Вещество	Состояние	ΔН^о₂₉₈, кДж/моль
С₂Н₂	г	+226,75	СО	г	-110,52
СS₂	г	+115,28	СН₃ОН	г	-201,17
NO	г	+90,37	С₂Н₅ОН	г	-235,31
С₆Н₆	г	+82,93	Н₂О	г	-241,83
С₂Н₄	г	+52,28	Н₂О	ж	-285,84
Н₂S	г	-20,15	NH₄Cl	к	-315,39
NH₃	г	-46,19	СО₂	г	-393,51
СН₄	г	-74,85	Fe₂O₃	к	-822,10
С₂Н₆	г	-84,67	Са(ОН)₂	к	-986,50
НС1	г	-92,31	А1₂О₃	к	-1669,80
			TiO₂	к	-943,9

Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением

С₂Н₆(г) +3 ¹/₂О₂=2СО₂(г)+3Н₂О(ж); ΔН_хр= -1559,87 кДж

Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО₂ (г) и Н₂О (ж) (табл. 4).

Решение. 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 ΔН^о₂₉₈. Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то здесь и в дальнейшем индексы опускаются и тепловой эффект обозначается через ΔН. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид

2С (графит) + 3Н₂(г) = С₂Н₆(г); ΔН = ?

исходя из следующих данных:

а) С₂Н₆(г) + 3¹/₂ О₂ (г) = 2 СО₂ (г) + 3Н₂О (ж); ΔН = -1559,87 кДж

б) С (графит) + О₂ (г) = СО₂ (г); ΔН = -393,51 кДж

в) H₂ (г) + 1/2 О₂ = Н₂О (ж) ΔН = -285,84 кДж

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) - на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):

С₂Н₆(г) + 3¹/₂ О₂ (г) – 2 С - 2 О₂ (г) - 3Н₂ - 3/2 О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О – 2СО₂ – 3Н₂О

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

ΔН = -1559,87 + 787,02 + 857,52 ;

C₂Н₆ = 2 С + 3 Н₂; ΔН = +84,67 кДж.

Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то ΔН_C_2Н_6(г) = - 84,67 кДж.

К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:

ΔНхр=2ΔНсо₂+3ΔНн₂о-ΔНс₂н₆-3½ΔНо₂

Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю

ΔН(с₂н₆)=2ΔНсо₂+3ΔНн₂о-ΔНх.р.

ΔН(с₂н₆)=2(-393,51)+3(-285,84)+1559,87=-84,67;

ΔН^обр(с₂н₆(г))=-84,67кДж

Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением С₂Н₅ОН(ж)+3О₂(г)=2СО₂(г)+3Н₂О(ж); ΔН=?

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная (молярная) теплота парообразования С₂Н₅ОН(ж) равна +42,36 кДж и известны теплоты образования С₂Н₅ОН(г); СО₂(г); Н₂О(ж) (см. табл. 4).

Решение. Для определения ΔН реакции необходимо знать теплоту образования С₂Н₅ОН (ж). Последнюю находим из данных:

С₂Н₅ОН(ж) = С₂Н₅ОН(г) ΔН=+42,36кДж

+42,36=-235,31-ΔНс₂н₅он_(ж)

ΔН(с₂н₅он_(ж))=-235,31-42,36= -277,67кДж

Вычисляем ΔН реакции применяя следствия из закона Гесса:

ΔН_х.р.= 2 (-393,51)+3 (-285,84)+277,67=-1366,87кДж

Контрольные вопросы

81. Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л (н.у.) ацетилена С₂Н₂ , если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды? Ответ: 9248,8 кДж.

82. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота. Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 44,8 л NO в пересчете на нормальные условия? Ответ: 452.37 кДж.

83. Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением

СН₃ОН_(ж)+ 3/2О₂ (г) = СО₂ (г) + 2Н₂О (ж); ΔH = ?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования CН₃ОН (ж) равна +37,4 кДж. Ответ: —726,62 кДж.

84. При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С₂Н₅ОН (ж).Ответ: -277,67 кДж/моль.

85. Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением

С₆Н₆(ж)+7½О₂(г)=6СО₂(г)+3Н₂О(г)׃ ΔН=?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования бензола равна +33,9 кДж. Ответ: -3135,58 кДж.

86. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С₂Н₆(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ этана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 63742,86 кДж.

87.Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением

4NH₃ (г) + 3О₂ (г) = 2N₂ (г) + 6Н₂О (ж); ΔН = 1530,28 кДж

Вычислите теплоту образования NН₃ (г). Ответ: - 46.19 кДж/моль.

88. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS. Oтвет; -100,26 кДж/моль.

89. При сгорании 1 л ацетилена (н.у.) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С₂Н₂ (г). Ответ: 226,75 кДж/моль.

90. При получении эквивалентной массы гидроксида кальция из СаО (к) и Н₂О (ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция. Ответ: —635,6 кДж/моль.

91. Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fe₂O₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа. Ответ: 2543.1 кДж.

92. Газообразный этиловый спирт С₂Н₅ОН можно получить при взаимодействии этилена С₂Н₄ (г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: —45,76 кДж.

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

FeO + CO (г) = Fe (к) + СО₂ (г); ΔH = -13,18 кДж

СО (г) + 1/2 О₂ (г) = СО₂(г); ΔH = -283,0 кДж

Н₂ (г) + 1/2О₂ (г) = Н₂О (г); ΔH = -241,83 кДж

Ответ: +27,99 кДж.

94. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод СS₂ (г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: +65,43 кДж.

95. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО (г) и водородом, в результате которой образуются СН₄ (г) и Н₂О (г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 618,48кДж.

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

4NH₃ (г) + 5О₂ (г) = 4NO (г) + 6Н₂О (ж); ΔН = -1168,80 кДж

4NH₃ (г) + 3О₂ (г) = 2N₂ (г) + 6Н₂О (ж); ΔН = - 1530,28 кДж

Ответ: 90,37 кДж.

97. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлористого водорода. 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? Ответ: 78,97 кДж.

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

Н₂ (г) + 1/2О₂(г) = Н₂О (ж); ΔН = -285,84 кДж

С (к) + О₂ (г) = СО₂ (г); ΔН = -393,51 кДж

СН₄ (г) + 2О₂ (г) = 2Н₂О (ж) + СО₂ (г); ΔН = -890,31 кДж

Ответ: -74,88 кДж.

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

Са (к) + 1/2О₂ (г) = СаО (к); ΔН = -635,60 кДж

Н₂ (г) + 1/2О₂ = Н₂О (ж); ΔН = -285,84 кДж

СаО (к) + Н₂О (ж) = Са(ОН)₂ (к); ΔН = -65,06 кДж

Ответ: -986,50 кДж.

100. 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 C₆Н₆(ж).

Ответ: +49.03 кДж.

ТЕМА : Химическое сродство

При решении задач этого раздела данные для расчетов необходимо взять в таблице этого раздела и в справочнике физико-химических величин.

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 энтальпии Н; с другой стороны, система стремится к беспорядку (дезагрегации). Первая тенденция растет с понижением температуры, а вторая — с повышением температуры. Тенденцию к беспорядку характеризует величина, которую называют энтропией.

Энтропия S, так же как внутренняя энергия U, энтальпия Н, объем V и др., является свойством вещества, пропорциональным его количеству. Энтропия отражает движение частиц вещества и является мерой неупорядоченности системы. Она возрастает с увеличением движения частиц: при нагревании, испарении, плавлении, расширении газа, при ослаблении или разрыве связей между атомами и т.п. Процессы, связанные с упорядоченностью системы (конденсация, кристаллизация, сжатие, упрочнение связей, полимеризация и т.п.), 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

ΔS_х.р.=ΣS⁰ _прод –ΣS⁰ _исх

ΔS=S₂ –S₁ Если S₂>S₁ , то ΔS>0. Если S₂<S₁ , то ΔS<0.

Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать, что мера беспорядка ≈ТΔS . Энтропия выражается в Дж⁄ (моль • К). Таким образом, движущая сила процесса складывается из двух сил: стремления к упорядочению (ΔН) и стремления к беспорядку (ТΔS). При р = соnst и T = const общую движущую силу процесса, которую обозначают ΔG, можно найти из соотношения

ΔG = (Н₂ – Н₁) – (ТS₂ – TS₁); ΔG = ΔН – ТΔS

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

ΔG_х.р. = Σ ΔG_прод. - Σ ΔG_исх^.

Самопроизвольно протекающие процессы идут в сторону уменьшения потенциала и, в частности, в сторону уменьшения ΔG. Если ΔG < О, процесс принципиально осуществим; если ΔG > О, процесс самопроизвольно проходить не может. Чем меньше ΔG, тем сильнее стремление к протеканию данного процесса и тем дальше он от состояния равновесия, при котором ΔG =О и ΔН = TΔS.

Из соотношения ΔG = ΔН — TΔS видно, что самопроизвольно могут протекать и процессы, для которых ΔН > О (эндотермические). Это возможно, когда ΔS > О, но |TΔS| > |ΔН|, и тогда ΔG < О. С другой стороны, экзотермические реакции (ΔG< О) самопроизвольно не протекают, если при ΔS < О окажется, что ΔG > О.

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 144; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!