5.ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ РЕАКЦИЙ

5.1.Какие реакции называются:

а) экзотермическими, б) эндотермическими?

* 5.2. Что называется тепловым эффектом реакции? В каких единицах он выражается?

5.3. По приведённому термохимическому уравнению реакции (а) закончите другие варианты термохимических уравнений (указав тепловые эффекты):

а) 3H2(г) + N2(г) = 2NH3(г) + 92 кДж б) 3/2H2(г) + 1/2N2(г) = NH3(г) …

в) 2NH3(г) = N2(г) + 3H2(г) …

г) 3H2(г) + N2(г) = 2NH3(г), H = ?

Укажите, какими – экзоили эндотермическими являются данные реакции.

5.4. По приведённому термохимическому уравнению реакции (а) закончите другие варианты термохимических уравнений (указав тепловые эффекты):

а) 2Al2(SO4)3(к) = 2Al2O3(к) + 6SO2(г) + 3O2(г) – 1755 кДж б) 2Al2O3(к) + 6SO2(г) + 3O2(г) = 2Al2(SO4)3(к) …

в) Al2O3(к) + 3SO2(г) + 3/2O2(г) = Al2(SO4)3(к) …

г) 2Al2(SO4)3(к) = 2Al2O3(к) + 6SO2(г) + 3O2(г), H = ?

Укажите, какими – экзоили эндотермическими являются данные реакции.

*

* Теплота, наряду с работой, является формой передачи энергии. В результате химической реакции или физико-химического процесса (испарения, конденсации и др.) система, состоящая из участвующих в реакции веществ, изменяет своё энергетическое состояние, обмениваясь энергией с окружающей средой.

Количество теплоты (Q), которое выделяется или поглощается в результате химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Необходимо отметить, что понятия «количество теплоты», «теплота реакции» (например, «теплота образования вещества») не являются строгими. В отличие от энергии, теплота не может накапливаться, т.к. она относится к процессу. Кроме того, она зависит от условий проведения реакции. Тепловой эффект реакции можно выразить через изменение запаса энергии исходных веществ и продуктов реак-

ции. В случае, если реакция протекает при постоянном давлении, тепловой эффект реакции (Qp) равен по величине изменению энтальпии системы ( H). Энтальпия (H) – это характе-

ристика энергетического состояния вещества, включающая в себя его внутреннюю энергию и энергию, затраченную на преодоление внешнего давления. Величину H обычно называют просто энтальпией реакции.

Система знаков. Знак Q принято указывать по отношению к окружающей среде, а знак

H – по отношению к системе (	H = – Qp). Для экзотермических реакций Q > 0, H < 0, для
эндотермических реакций Q < 0,	H > 0.

Стандартные условия. Величины тепловых эффектов обычно приводят для следующих условий проведения реакций: p = 101 325 Па и T = 298,15 K, или 25 °C, хотя температура в определение стандартных условий, в общем случае, не входит. Стандартную энтальпию реакции обозначают H°; соответственно, H°сг – стандартная энтальпия сгорания вещества, H°обр – стандартная энтальпия образования вещества из простых веществ (кДж/моль).

52

5.5.Чем термохимическое уравнение реакции отличается от обычного химического уравнения? Составьте термохимическое уравнение реакции образования воды (жидкой) из простых веществ, если известно, что при образовании 18 г воды выделяется 286 кДж теплоты.

5.6.По термохимическому уравнению S(тв) + O2(г) = SO2(г) + 297 кДж рассчитайте:

а) тепловой эффект реакции сгорания 160 г серы; б) какой объём кислорода (н.у.) вступает в реакцию, если при этом выделя-

ется 59,4 кДж теплоты;

в) какое количество вещества оксида серы(ΙV) образуется, если выделяется 1188 кДж теплоты;

г) стандартную энтальпию образования SO2(г) (кДж/моль).

5.7. По термохимическому уравнению C(графит) + O2(г) = CO2(г) + 393,5 кДж рассчитайте:

а) тепловой эффект реакции сгорания 1 кг угля, массовая доля негорючих примесей в котором составляет 28%;

б) какая масса углерода (графита) вступает в реакцию, если при этом выделяется 9838 кДж теплоты;

в) какой объём оксида углерода(ΙV) (при 25 °C и 101,3 кПа) образуется, если выделяется 787 кДж теплоты;

г) стандартную энтальпию сгорания углерода (графита), кДж/моль.

5.8. При разложении 40 г кристаллического гидрокарбоната калия образуются K2CO3(к), CO2(г), H2O(г) (пар) и поглощается 26,6 кДж теплоты (стандартные условия). Составьте термохимическое уравнение реакции и рассчитайте:

а) какой объём CO2 (при 25 °C и давлении 101,3 кПа) образуется, если в результате этой реакции поглотится 133 кДж теплоты;

б) какое количество вещества K2CO3 образуется в случае, если тепловой эффект реакции составит 100 кДж;

в) численные значения Q и H для реакции образования 1 моль KHCO3(к) из

K2CO3(к), CO2(г) и H2O(г).

г) массовую долю KHCO3 в смеси с K2CO3, если тепловой эффект превращения 200 г этой смеси в чистый карбонат калия составил 53,2 кДж.

5.9. При взаимодействии 19,4 г сульфида цинка с кислородом (окислительный обжиг) образуются оксид цинка, оксид серы(IV) и выделяется 88,6 кДж теплоты (стандартные условия). Составьте термохимическое уравнение реакции и рассчитайте:

а) тепловой эффект данной реакции, если образуется 40,5 г оксида цинка; б) объём кислорода (н.у.), вступившего в реакцию, если тепловой эффект

составил 443 кДж;

в) стандартную энтальпию сгорания (окисления) ZnS(к) (кДж/моль);

г) массовую долю ZnO в смеси с ZnS, если в результате взаимодействия 50 г этой смеси с избытком кислорода выделилось 177,2 кДж теплоты.

53

* 5.10. На основе закона Гесса определите взаимосвязь между тепловыми эффектами отдельных реакций (составьте их уравнения) в следующем цикле превращений:

Q1 Q2

C(графит) CO(г) CO2(г)

Q3

Как вычислить: а) Q3, если известны Q1 и Q2; б) Q2, если известны Q1 и Q3 ?

5.11. На основе закона Гесса определите взаимосвязь между тепловыми эффектами отдельных реакций (составьте их уравнения) в следующем цикле превращений:

Q2

SO2(г) SO3(г)

Q1	Q3
	Q4

S(тв) H2SO4(ж)

Покажите, как вычислить тепловой эффект каждой из реакций, если известны величины Q для трёх других реакций.

5.12. Вычислите тепловой эффект реакции

4NH3(г) + 3O2(г) = 2N2(г) + 6H2O(ж),

используя значения тепловых эффектов следующих реакций:

1)3/2H2(г) + 1/2N2(г) = NH3(г) + 46 кДж,

2)H2(г) + 1/2O2(г) = H2O(ж) + 286 кДж.

5.13.Вычислите тепловой эффект реакции

C(графит) + 2H2(г) = CH4(г),

используя значения тепловых эффектов следующих реакций:

1)C(графит) + O2(г) = CO2(г) + 393,5 кДж,

2)H2(г) + 1/2O2(г) = H2O(ж) + 286 кДж,

3)CH4(г) + 2O2(г) = CO2(г) + 2H2O(ж) + 890 кДж.

Герман Иванович Гесс (1802−1850) – один из основателей термохимии. Работал в Санкт-Петербургском университете. В 1840 г. он сформулировал основной закон термохимии, представляющий собой частный случай закона сохранения энергии:

▪Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

▪Следствия из закона Гесса: 1. Тепловой эффект химической реакции равен сумме тепловых эффектов образования продуктов реакции (из простых веществ) за вычетом суммы тепловых эффектов образования исходных веществ.

2. Тепловой эффект реакции равен сумме тепловых эффектов сгорания исходных веществ за вычетом суммы тепловых эффектов сгорания продуктов данной реакции.

54

Ответы и комментарии

5.3, 5.4. Тепловой эффект реакции пропорционален количеству вещества. В записи термохимического уравнения он соответствует количествам веществ, которые показывают стехиометрические коэффициенты уравнения реакции. Для обратной реакции изменяется знак Q.

5.6.а) 1485 кДж; б) 4,48 л; в) 4 моль; г) –297 кДж/моль.

5.7.а) 23610 кДж; б) 300 г; в) 48,9 л; г) –393,5 кДж/моль.

5.8. а) 24,45	л; б) 0,752 моль; в)	H° = −66,5 кДж/моль; г) 40%.
5.9. а) 221,5	кДж; б) 33,6 л; в)	H° = −443 кДж/моль; г) 22,4%.

5.10, 5.11. В соответствии с законом Гесса, если реакция протекает в несколько стадий, то общий тепловой эффект реакции равен алгебраической сумме тепловых эффектов всех промежуточных стадий.

5.12.Q = +1532 кДж.

5.13.Q = +75,5 кДж.

Обратите внимание на следствия из закона Гесса. Они помогают в решении некоторых термохимических задач. Более наглядный вариант решения – построение термохимического цикла, включающего термохимические уравнения всех рассматриваемых процессов.

55