- •Учебно-методическое пособие
- •I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.
- •1.2. Теплота сгорания топлива.
- •II. Энергия Гиббса и направленность химических реакций
- •2.4. Задачи для самостоятельного решения
- •2.4. Задачи для самостоятельного решения:
- •III. Химическое равновесие. Правило Ле Шателье-Брауна.
- •3.1 Задачи для самостоятельного решения.
- •III. Варианты контрольных заданий «Термохимические расчеты. Закон Гесса». Вариант №1
- •Вариант №2
- •IV. Варианты контрольных заданий «Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье». Вариант №1
- •Вариант №2
- •V. Задачи для самостоятельного решения из задачников:
- •Термодинамические константы некоторых веществ
- •Продолжение табл. 1
- •VI. Список литературы:
Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал Санкт - Петербургского государственного
морского технического университета
СЕВМАШВТУЗ
Кафедра "Инженерная защита окружающей
среды и реновации техники"
Белозерова Т.И.
Учебно-методическое пособие
к практическим занятиям
по дисциплине "Общая и неорганическая химия"
Тема: "Термохимические расчеты. Закон Гесса.
Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".
Северодвинск
2004
УДК 546(076.1)
Белозерова Т.И.
"Термохимические расчеты. Закон Гесса.
Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье".
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
к практическим занятиям
по дисциплине "Общая и неорганическая химия"
Ответственный редактор Гуляева Т.Г.
Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Физика» Горин С.В.
к.б.н., доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды»
Камышева Е.А.
Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
Методическое пособие содержит сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направления и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.
Лицензия на издательскую деятельность
Код 221. Серия ИД №01734 от 11 мая 2000г.
Севмашвтуз, 2004г.
Термохимические расчеты. Закон Гесса. Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье.
Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса, специальность 330200 «Инженерная защита окружающей среды».
Методическое пособие содержит общие сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направление и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.
I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.
Наука о взаимных превращениях различных видов энергии называется термодинамикой. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называетсятермохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты называютсяэкзотермическими, а те которые сопровождаются поглощением теплоты – эндотермическими.
Изменения энергии системы, при протекании в ней химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектомхимической реакции.
Характеристическая функция
U+pV=H(1)
где, V– объем системы ,U– внутренняя энергия, называется энтальпией системы.
Энтальпия– функция состояния системы. При постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпией реакции ΔH.
При экзотермической реакции ΔH<0 (Qp>0) – энтальпия системы уменьшается.
При эндотермических реакциях ΔH>0 (Qp<0).
Изменения энтальпии в процессе образования данного вещества в стандартном состоянии их простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях, называются стандартной энтальпией образования ΔH0298.Тепловой эффект зависит от температуры, поэтому в индексе указывается температура (298 К).
Уравнение процессов, в которых указаны тепловые эффекты, называются термохимическими
H2 + 1/2О2=H2О(ж)ΔH0298= -285,8 кДж
Чтобы энтальпию отнести к одному молю какого-либо вещества, термохимические уравнения имеют дробные коэффициенты.
В термохимических уравнениях записываются также агрегатные состояния веществ: Г-газовое, Ж-жидкое, Т-твердое, К-кристаллическое.
Энтальпия (теплота) образования– тепловой эффект образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа. Обозначают ΔH0обр или ΔH0f.
Закон Гесса– тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий.
В термохимических расчетах применяют следствие из Закона Гесса:
Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования (ΔH0обр) продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнениях реакции
ΔНх.р. = ∑Δ Н обр.прод.- ∑ΔН0обр.исх.(2)
Значения стандартных энтальпий образования ΔН0298 даны в таблице (приложение №1).
Пример 1.Рассчитаем стандартную энтальпию образования пропана С3Н8, если тепловой эффект реакции его сгорания
С3Н8+ 5О2= 3СО2+ 4Н2О (г)
равна ΔНх.р. = -2043,86 кДж/моль
Решение: В соответствии с уравнением (2)
ΔНх.р. = (3ΔН0(СО2) + 4ΔН0 (Н20)г) – (ΔН0(С3Н8) + 5ΔН0 (О2)) =
= ΔН0обр.(С3Н8) = 3ΔН0(СО2) – 5ΔН0(О2) – ΔН0х.р. + 4ΔН0(Н2О)г
Подставив значение ΔН0х.р. и справочные данные, энтальпии простых веществ равны нулю ΔН0О2= 0
ΔН0С3Н8= 3(-393,51) + 4(-241,82) – 5*0 – (2043,86) = -103,85 кДж/моль
Ответ: энтальпия образования пропана относится к экзотермическим процессам.
Пример 2. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:
С2Н5ОН (ж) + ЗО2(г) = 2СО2(г) + ЗН2О(ж); ΔН = ?
Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная энтальпия С2Н5ОН(ж) равна + 42,36 кДж и известны энтальпии образования С2Н5ОН (г); СО2(г); Н2О(ж) (см. табл.1).
Решение: для определения ∆Н реакции необходимо знать теплоту образования С3Н5ОН (ж). Последнюю находим из данных задачи:
С2Н5ОН (ж) = С2Н5ОН (г); ΔН = +42,36 кДж + 42,36 = -235,31 – ΔН С2Н5ОН (ж)
ΔН С2Н5ОН (ж) = - 235,31 – 42,36 = - 277,67 кДж
Теперь вычисляем ΔН реакции, применяя следствие из закона Гесса:
ΔНх.р. = 2 (-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж
Пример 3. Растворение моля безводной соды Na2CO3в достаточно большом количестве воды сопровождается выделением 25,10 кДж теплоты, тогда как при растворении кристаллогидрата Na2CO3* 10H2O поглощается 66,94 кДж теплоты. Вычислить теплоту гидратации Na2CO3(энтальпию образования кристаллогидрата).
Решение: составляем термохимические уравнения соответствующих реакций:
А) Na2CO3 + aq = Na2CO3 * aq; ΔН = -25,10 кДж
Б) Na2CO3 * 10H2O + aq = Na2CO3 * aq; ΔН = +66,94 кДж
Теперь, вычитая уравнение Б) из уравнения А), получаем ответ:
Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3 * 10H2O; ΔН = -92,04 кДж,
т.е. при образовании Na2CO3 * 10H2Oвыделяет 92,04 кДж теплоты.
Пример 4. Зная энтальпию образования воды и водяного пара (см. таб. 1), вычислить энтальпию испарения воды.
Решение: задача решается аналогично задачам в примерах 3 и 4:
А) H2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(г); ΔН = -241,83 кДж
Б) Н2(г) + 1/2О2(г) = Н2О(ж) ; ΔН = -285,84 кДж
Вычитая уравнение (Б) из уравнения (А) получаем ответ:
Н2О(ж) = Н2О(г); ΔН = - 241,83 + 285,84 = + 44,01 кДж,
т.е. для перевода воды в пар необходимо затратить 44,01 кДж тепла.
Пример 5. При образовании хлористого водорода по реакции
Н2+ Сl2= 2HCl
Выделяется 184,6 кДж тепла. Чему равна энтальпия образования HCl?
Решение: энтальпия образования относится к 1 моль, а по уравнению образуется 2 моль HCl.
ΔН0НCl = -184,6 / 2 = -92,3 кДж/моль
Термохимическое уравнение:
1/2Н2+ 1/2Cl2= HCl; ΔН = -92,3 кДж/моль
Пример 6.Вычислить тепловой эффект горения аммиака.
2NH3(г)+ 3/2O2(г)= N2(г)+ 3H2O(г)
Решение: на основании следствия из закона Гесса имеем
ΔН = ∑Δ Н0кон- ∑ΔН0исх.= (ΔН0(N2)+ 3ΔН0(Н20)) - (2ΔН0 (NH3) + 3/2ΔН0(О2))
Так как энтальпии простых веществ равны 0 (ΔН0(N2) = 0; ΔН0(02) = 0)
Получаем: ΔН = 3ΔН0(H2О)(г) – 2ΔН0(NH3)
По таблице находим значение стандартных энтальпий образования
ΔН0(NH3) = -45,94 кДж
ΔН0(H2О) = -241,84 кДж
ΔН = 3 (-241,84) – 2 (-45,94) = -633,4 кДж
Пример 7. Вычислить тепловой эффект реакции горения
А) 11,2 л ацетилена
Б) 52 кг ацетилена
Решение:
1. Написать термохимическое уравнение горения ацетилена
C2H2(г)+ 5/2O2(г)= 2CO2(г)+ H2O(г)+ΔН
2. Написать выражение для расчета стандартного теплового эффекта реакции, пользуясь следствием из закона Гесса
ΔН0х.р.= (2ΔН0(СО2) + ΔН0(Н2О)(г)– ΔН0(С2Н2)
Подставим в это выражение табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:
ΔН0х.р.= 2(-393,5) + (-241,8) – 226,8 = -802,0 кДж
3. Из термохимического уравнения реакции видно, что количество тепла выделяется при сгорании 1 моль ацетилена (22,4 л или 26 г).
Количество тепла прямо пропорционально количеству участвующего в горении вещества. Следовательно можно составить пропорцию :
1 с п о с о 6 :
а) 22,4 л С2Н2 - (-802,0 кДж )
11,2 л С2Н2- х
х = - 401,0 кДж
Б) 26 г C2H2- ( 802,0 кДж)
52*103С2Н2- х
х = 52*103*(-802)= - 1604 * 103 кДж
26
2 с п о с о б :
Определяем количество моль ацетилена
٧(С2Н2) =m(C2H2)=V(C2H2)
M(C2H2)Vm
A) ٧(С2Н2) =11,2= 0,5 моль
22,4
1 моль С2Н2- (- 802,0 кДж)
0,5 моль С2Н2- х
х = -401,О кДж
Б) ٧( С2Н2) =52*103 = 2*103 моль
26
1 моль С2Н2- (- 802,0 кДж)
2*103моль С2Н2- х
х = 2*103*(-802) = - 1604*103кДж
1
Пример 8. Определить стандартную энтальпию образования ацетилена, если при сгорании 11,2 л. его выделилось 401 кДж тепла.
Решение: С2Н2(г) + 5/2О2= 2СО2 + Н2О(г) ΔНх.р.
1. Определяем тепловой эффект химической реакции
а) ν(С2Н2) = 11,2 л /22,4 л/моль = 0,5 моль
б) 0,5 моль С2Н2- - 401 кДж
1 моль С2Н2- - х
х = 1*(-401)= -802 кДж - ΔНх.р.
0,5
2. Пользуясь следствием из закона Гесса определяем стандартную энтальпию образования ΔН0(С2Н2):
ΔНх.р. = (2ΔН0(СО2) + ΔН0(Н20 )) – (ΔН0(С2Н2) + 5/2 ΔН0(О2))
ΔН0С2Н2= 2ΔН0(СО2) + ΔН0(Н2О)г – ΔНх.р.+ 5/2 ΔН0(О2)
Подставим в это выражение табличные значения стандартных знтальпий образования веществ:
ΔН0С2Н2= 2 (-393) + (-241,8) – (-802) – 0 = 226 кДж
Ответ: ΔН0С2Н2 = 226 кДж/моль
Задачи для самостоятельного решения
1. Вычислите тепловой .эффект реакции восстановления одного моля Fе2О3металлическим алюминием.
Ответ: -817,7 кДж.
2. Газообразный этиловый спирт С2H5ОН можно получить при взаимодействии этилена C2H4,(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите ее тепловой эффект.
Ответ: -45,76 кДж.
Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (+ 2) водородом исходя из следующих термохимических уравнений:
FeO (к) + СО (г) = Fe (к) + СО2(г); ΔН = -13,18 кДж;
СО (г) –1/2O2(г) = СО2(г); ΔН = -283,0 кДж;
Н2(г) + 1/2O2(г) = Н20; ΔН = - 241,83кДж.
Ответ: -27,99 кДж.
3. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS2(г). Напишите термохимическое уравнение: этой реакции и вычислите тепловой эффект.
Ответ: + 65,57 кДж.
Напишите термохимическое уравнение реакции образования одного моля метана СН4(г)из оксида углерода СО(г) и водорода. Сколько теплоты выделится в результате этой реакции? Ответ: 206,1 кДж.
При взаимодействии газообразных метана и сероводорода образуются сероуглерод CS2(г) и водород. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите ее тепловой эффект.
Ответ: +230,43 кДж
4. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия?
Ответ: 79,82 кДж.
Вычислите теплоту образования метана исходя из следующих термохимических уравнений:
H2(г) + ½О2(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.
5. Напишите термохимическое уравнение реакции горения одного моля этилового спирта, в результате которой образуются пары воды и диоксида углерода. Вычислите энтальпию образования С2Н5ОН (ж), если известно, что при сгорании 11,5г. его выделилось 308,71 кДж теплоты.
Ответ: - 277,67 кДж.
6. 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
7. Напишите термохимическое уравнение реакции горения одного моля этана С2Н6(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м3этана в пересчете на нормальные условия?
Ответ: 63742,86 кДж.
8. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:
4NH3 (г) + ЗО2(г) = 2N2(г) + 6H2O (ж);
ΔН = — 1580,28 кДж.
Вычислите энтальпию образования NH3(г).
Ответ: - 46,19 кДж.
9. Энтальпия растворения безводного хлорида стронция SrCl2равна - 47,70 кДж, а теплота растворения кристаллогидрата SrCl2*6Н2О равна +30,96 кДж. Вычислите теплоту гидратации SrCl2.
Ответ: -78,66 кДж.
10. Теплоты растворения сульфата меди CuSO4и медного купороса CuSO4*5H2O соответственно равны — 66,11 кДж и + 11,72 кДж. Вычислите теплоту гидратации CuSO4.
Ответ: -77,83 кДж.
При получении одного грамм-эквивалента 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.