Определение теплоты реакции нейтрализации

Вычислить (все вычисления пояснить словами):

1. Изменение энтальпии реакции ∆Н по формуле

ΔH = −V ∙ ρ ∙ c ∙ ΔТ,

где V – общий объем раствора, мл; ρ– плотность раствора г/мл; с – теплоемкость раствора, Дж/г ∙ К; ΔТ – разность между конечной и начальной температурами. Принять плотность раствора после нейтрализации равной 1 г/мл, а

теплоемкость его − равной теплоемкости воды, т. е. 4,18 Дж/г ∙ К.

2. Тепловой эффект реакции нейтрализации ∆Н⁰_{нейтр.практ} в расчете на 1 моль эквивалентов кислоты. Так как 1 моль эквивалентов кислоты содержится в 1 л (1000 мл) раствора, а для реакции было взято 25 мл, то

3. Теоретическое значение изменение энтальпии реакции нейтрализации  для уравнения Н⁺ + ОН^‾ → Н₂О. Энтальпии образования Δ _f Н⁰ Н⁺, ОH^‾ и Н₂О соответственно равны 0, -230,2 и -285,8 кДж/моль.

4. Относительную ошибку опыта (Е)     

Примеры решения задач

При решении задач этого раздела следует пользоваться табл. I приложения Б.

Пример 3.1.Вычислить тепловой эффект и написать термохимическое уравнение реакции горения ацетилена, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 10 л ацетилена (н.у.)?

Решение. Реакция горения ацетилена протекает по уравнению

С₂Н₂ (г) + 5½О₂ (г) = 2СО₂ (г) + Н₂О (г).

Пользуясь следствием из закона Гесса и справочными данными из табл.I, вычисляем тепловой эффект реакции:

DH⁰_х.р. = (2  + ) − ( + 5½ )

DH⁰_х.р. = [2(-393,5) + (-241,8)] − (226,8 + 5½ ∙ 0) = -1255,6 кДж.

Термохимическими называются уравнения химических реакций, в которых указано изменение энтальпии. Изменение энтальпии (тепловой эффект) записывают в правой части уравнения после запятой.

Термохимическое уравнение реакции горения ацетилена имеет вид:

С₂Н₂ (г) + 5½О₂ (г) = 2СО₂ (г) + Н₂О (г),     DH⁰_х.р. = –1255,6 кДж.

Тепловой эффект обычно относят к одному молю вещества. Следовательно, при сжигании 1 моль С₂Н₂ выделяется 1255,6 кДж. Однако по условию задачи сжигается 10 л ацетилена, что составляет 10 / 22,4 = 0,446 моль С₂Н₂, где 22,4 л/моль – мольный объем любого газа при нормальных условиях. Таким образом, при сгорании 0,446 моль (10 л) С₂Н₂ выделится 0,446×(1255,6) = 560 кДж теплоты.

Пример 3.2. Реакция идет по уравнению Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃.

При восстановлении 48 г Fe₂O₃ выделяется 256,1 кДж теплоты. Вычислить тепловой эффект реакции и стандартную энтальпию образования Fe₂O₃.

Решение.Число молей Fe₂O₃, содержащихся в 48 г Fe₂O₃, составляет       48 / 160 = 0,3 моль, где 160 г/моль – молярная масса Fe₂O₃. Так как тепловой эффект относят к 1 моль вещества, то тепловой эффект данной реакции равен –256,1 / 0,3 = –853,7 кДж. Запишем термохимическое уравнение этой реакции:

Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃,  DH⁰_х.р.= –853,8 кДж/

Формула для расчета теплового эффекта данной реакции имеет вид

DH⁰_х.р.= (2  + ) – (  + 2 ),        отсюда находим

= 2 +  – 2  – _.

После подстановки справочных данных из табл.I получаем:

 = 2 × 0 – 1676 – 2 × 0 + 853,8 = –822,2 кДж/моль.

Таким образом, тепловой эффект реакции равен –853,8 кДж, а составляет –822,2 кДж/моль.

Пример 3.3.Исходя из термохимических уравнений

Н₂ (г) + О₂ (г) = Н₂О₂ (ж),        = –187 кДж;                (1)

Н₂О₂ (ж) + Н₂ (г) = 2Н₂О (г),  = –297 кДж;                (2)

Н₂О (г) = Н₂О (ж),                   = – 44 кДж,                   (3)

рассчитать значение стандартной энтальпии реакции образования Н₂О (ж).

Решение.Запишем уравнение реакции, тепловой эффект которой необходимо определить: Н₂ (г) + ½О₂ (г) = Н₂О (ж), –?   (4)

В уравнения (1), (2), (3) входят Н₂О₂ (ж) и Н₂О (г), которые не входят в уравнение (4). Чтобы исключить их из уравнений (1), (2), (3), умножим уравнение (3) на 2 и сложим все три уравнения:

Н₂ (г) + О₂ (г) + Н₂О₂ (ж)+ Н₂ (г) + 2Н₂О (г) = Н₂О₂ (ж) + 2Н₂О (г) + 2Н₂О (ж). (5)

После преобразования уравнения (5) и деления его на 2 получаем искомое уравнение (4). Аналогичные действия проделаем с тепловыми эффектами:

.=

В результате получаем Дж; 

т.е. энтальпия образования Н₂О (ж).  = –286 кДж/моль.

Пример 3.4.В каком направлении будет протекать реакция при стандартных условиях     СН₄ (г) + СО₂ (г) ↔ 2СО (г) + 2Н₂ (г)

Решение.Направление протекания химической реакции определяет энергия Гиббса (∆G). Изменение энергии Гиббса в результате химической реакции равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Формула для расчета изменение энергии Гиббса изучаемой реакции имеет вид:

Значения  берем из табл. 1 приложения и получаем:

[2 ∙ (-137,1) + 2 ∙ 0] − [(-50,8) + (-394,4)] = +171 кДж.

При р=const, T=const реакция самопроизвольно протекает в том направлении, которому отвечает убыль энергии Гиббса. Если ∆G < 0, то реакциясамопроизвольно протекает в прямом направлении. Если ∆G > 0, то самопроизвольное протекание процесса в прямом направлении невозможно. Если  ∆G = 0, то реакция может протекать как в прямом направлении, так и в обратном, и система находится в состоянии равновесия.

Так как ∆G⁰_х.р = +171 кДж, т.е. > 0, то самопроизвольное протекание данной реакции в прямом направлении в стандартных условиях невозможно.

Пример 3.5. Определить изменение энтропии в стандартных условиях для реакции                С _{(графит)} + 2Н₂ (г) = СН₄ (г)

Решение.Изменение энтропии системы в результате протекания химической реакции (∆S) (энтропия реакции) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

Подставляем в формулу справочные данные из табл.I и получаем:

186,2 − (5,7 + 2 ∙ 130,6) = -80,7 Дж/К.

Пример 3.6. По значениям стандартных энтальпий образования и стандартных энтропий веществ, участвующих в реакции, вычислить изменение энергии Гиббса реакции, протекающей по уравнению  

СО (г) + Н₂О (ж) = СО₂ (г) + Н₂ (г).

Решение.Изменение энергии Гиббса в химической реакции при температуре Т можно вычислить по уравнению

∆G⁰_х.р. = ∆Н⁰_х.р – Т∆S⁰_х.р.

Тепловой эффект реакции ∆Н⁰_х.р и изменение энтропии определяем по следствию из закона Гесса:   

;

Используя справочные данные табл. 1, получаем:

∆Н⁰_х.р. = [(-393,5) + 0] − [(-110,5) + (-285,8)] = +2,8 кДж;

∆S⁰_х.р = (213,7 + 130,6) − (197,5 + 70,1) = +76,7 Дж/К

Изменение энергии Гиббса в химической реакции:

∆G⁰_х.р. = ∆Н⁰_х.р. – Т∆S⁰_х.р.; Т = 298 К;

∆G⁰_х.р = 2,8 − 298 ∙ 76,7 ∙ 10^-3 = -20,05 кДж

Пример 3.7.Определить температуру, при которой установится равновесие в системе                    СаСО₃ (к)  СаО (к) + СО₂ (г)

Решение. При химическом взаимодействии одновременно изменяется энтальпия, характеризующая стремление системы к порядку, и энтропия, характеризующая стремление системы к беспорядку. Если тенденции к порядку и беспорядку в системе одинаковы, то ∆H⁰_х.р. = Т∆S⁰_х.р., что является условием равновесного состояния системы. Отсюда можно определить температуру, при которой устанавливается равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов:          _.

Сначала вычисляем ∆Н⁰_х.р. и ∆S⁰_х.р.по формулам:

Используя справочные данные табл.I получаем:

DH⁰_х.р. = [– 635,5 + (–393,5)] – (–1207,1) = 178,1 кДж;

DS⁰_х.р. = (39,7 + 213,7) – 92,9 = 160,5 Дж/К или 0,1605 кДж/К.

Отсюда, температура, при которой устанавливается равновесие:

Т_равн = 178,1 / 0,1605 = 1109,5 К.

Пример 3.8.ВычислитьDH⁰_х.р,  ∆S⁰_х.р. и DG⁰_T реакции, протекающей по уравнению:    Fe₂O₃ (к) + 3C (к) = 2Fe (к) + 3CO (г).

Возможна ли реакция восстановления Fe₂O₃углеродом при температуре 298 и 1000 К?

Решение.Вычисляем DH⁰_х.р. и DS⁰_х.р.:

DH⁰_х.р.=[3(–110,5) + 2·0] – [–822,2 + 3·0] = –331,5 + 822,2 = +490,7 кДж;

DS⁰_{х. р.} = (2·27,2 +3·197,5) – (89,9 + 3·5,7) = 539,9 Дж/К или 0,540 кДж/К.

Мы поможем в написании ваших работ!