Маругин, В..А. Неорганическая химия
.pdf-при повышении температуры – равновесие смещается в сторону эндотермической реакции (∆H > 0);
-при понижении температуры – равновесие смещается в сторону экзотермической реакции (∆H < 0);
-при повышении давления – равновесие смещается в сторону реакции, уменьшающей количество газообразных молекул;
-при понижении давления – равновесие смещается в сторону реакции, увеличивающей количество газообразных молекул.
-при увеличении концентрации исходных веществ – равновесие смещается
всторону прямой реакции;
-при уменьшении концентрации исходных веществ – равновесие смещается
всторону обратной реакции.
Пример 5. В какую сторону, согласно принципу Ле Шателье, сместится равновесие реакции N2 + 3H2 2NH3 ∆H < 0 при:
а) повышении температуры; б) повышении давления?
Решение.
а) В данной реакции ∆H < 0, следовательно, прямая реакция экзотерми-
ческая, а обратная эндотермическая. При повышении температуры равновесие сместится влево, т.к., согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции.
б) При протекании данной реакции изменяется число газообразных молекул. В реакцию вступают 4 молекулы (одна молекула азота и три молекулы водорода), образуются 2 молекулы аммиака. При повышении давления равновесие сместится вправо, т.к., согласно принципу Ле Шателье, при повышении давления равновесие смещается в ту сторону, где образуется меньше газообразных молекул.
Задачи на термохимические расчеты
В данном пособии представлены задачи по расчету теплового эффекта различных реакций. Наибольшую роль играют реакции горения различных органических веществ. В таких задачах используют уравнение:
61
∆H0реакции = ∑[∆H0(продукты)] – ∑[∆H0(реагенты)], |
(3.4) |
где ∑[∆H0(продукты)] – сумма стандартных молярных энтальпий продуктов реакции; ∑[∆H0(реагенты)] – сумма стандартных молярных энтальпий образования
реагентов, вступающих в реакцию.
При суммировании следует учитывать стехиометрические коэффициенты перед формулами реагентов и продуктов.
Рассчитав тепловой эффект реакции, можно сказать, является данная ре-
акция экзотермической (∆H0реакции< 0) или эндотермической (∆H0реакции> 0). Зная тепловой эффект реакции и количество реагирующих веществ, можно вычислить количество выделяющейся теплоты или затрачиваемой теплоты. Следует знать, что в термохимических уравнениях коэффициент при про-
стом веществе может быть дробным.
Пример 6. Вычислите тепловой эффект реакции горения этана
C2H6(г) + 3,5O2(г) = 2CO2(г) + 3H2O(г) .
Является данная реакция экзотермической или эндотермической? Сколько теплоты выделится, если в реакцию вступит 89,6 л этана?
∆H0(СO2) = –393,5 кДж/моль; |
∆H0(H2O(г)) = –241,8 кДж/моль; |
∆H0(C2H6(г)) = –84,6 кДж/моль; |
∆H0(O2) = 0 кДж/моль. |
Решение. Тепловой эффект этой реакции можно рассчитать при помощи уравнения (3.4):
∆H0реакции = [2∆H0(СO2) + 3∆H0(H2O)] – [∆H0(C2H6) + 3,5∆H0(O2)],
в котором стандартные энтальпии веществ, участвующих в реакции, умножены на стехиометрические коэффициенты, стоящие в уравнении реакции перед химическими формулами этих веществ.
∆H0реакции= [2(–393,5) + 3(–241,8)] – [(–84,6) + 0] = –1427,8 кДж/моль.
Такое количество теплоты выделится, если в реакцию вступит один моль этана, или 22,4 л. По условию задачи в реакцию вступает 89,6 л этана, или 4 моля. Значит, выделится теплоты 4(1427,8) = 5711,2 кДж.
62
Ответ: ∆H0реакции = –1427,8 кДж/моль; теплоты выделится 5711,2 кДж; реакция экзотермическая.
Индивидуальные задания
Пробный вариант
1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих реакций:
а) 2CO(Г) + H2(Г) →
б) Fe2O3(Т) + 3CO(Г) →
Как читается закон действующих масс? От каких факторов зависит скорость химической реакции?
2.Во сколько раз увеличится скорость этих реакций, если давление увеличить в 2 раза? Докажите расчетом.
3.Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции, если повысить температуру на 50оС? (Температур-
ный коэффициент γ для этой реакции равен 2.)
4. Напишите математическое выражение константы химического равновесия для следующих реакций:
N2(Г) + O2(Г) |
2NO(Г) |
∆H > 0 |
CaCO3(Т) |
CaO(Т) + CO2(Г) |
∆H > 0 |
От каких факторов зависит константа химического равновесия?
5.Сформулируйте принцип Ле Шателье. Объясните, в какую сторону будет смещаться химическое равновесие реакций (вопрос 4) при: а) повышении температуры; б) повышения давления.
6.Найдите тепловой эффект реакции горения ацетилена. Сколько теплоты выделится, если сгорит 112 л (н.у.) C2H2?
63
Алгоритм ответов
1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих реакций:
а) 2CO(Г) + H2(Г) →
б) Fe2O3(Т) + 3CO(Г) →
Как читается закон действующих масс? От каких факторов зависит скорость химической реакции?
Решение. Для написания математического выражения скорости химической реакции нужно воспользоваться выражением (3.1).
Для реакции 2CO(Г) + H2(Г) → математическое выражение закона действующих масс будет выглядеть следующим образом:
V = k·C CO2 .C H2 .
Для реакции Fe2O3(Т) + 3CO(Г) математическое выражение закона действующих масс будет выглядеть следующим образом:
V = k·C3CO .
Оксид железа Fe2O3 – вещество твердое, поэтому его концентрация не входит в математическое выражение закона действующих масс.
Ответ на вторую часть вопроса (см. Учебник).
2. Во сколько раз увеличится скорость этих реакций, если давление увеличить в 2 раза? Докажите расчетом.
Решение.
а) Математическое выражение для скорости реакции 2CO(Г) + H2(Г) → запишем следующим образом:
V1 = k·C CO2 .C H2 , допускается запись: V1 = k·C2(CO)·С(H2)
При повышении давления в 2 раза концентрации реагирующих веществ CO и Н2 в реакционном сосуде увеличиваются в 2 раза и становятся равными
2С(CO) и 2С(H2) соответственно.
64
Следовательно, математическое выражение для новой скорости химической реакции запишется следующим образом:
V2 = k·[2C(CO)]2·2C(H2) = k·22C(CO)·2C(H2) = k·22·2C(CO)·C(H2).
Разделим второе выражение на первое (учитываем, что новая концентрация оксида углерода СО возводится в степень) и получаем:
V2 |
= |
k 22C 2(CO) 2C(H2) = |
22 2 k C 2(CO) C(H2) =8 |
||||||||
|
V1 |
|
k C 2(CO) C(H |
2 |
) |
|
|
k C 2(CO) C(H |
2 |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ответ: |
Скорость реакции |
2CO(Г) + H2(Г) → после увеличения давле- |
ния в 2 раза возрастет в 8 раз.
б) Математическое выражение для скорости химической реакции Fe2O3(Т) + 3CO(Г) → запишем следующим образом V1 = k·C 3CO или V1 =k·C3(СО).
При повышении давления в 2 раза концентрация вещества CO в реакционном сосуде увеличится в 2 раза и станет равной 2С(CO).
Следовательно, математическое выражение для новой скорости химической реакции запишется следующим образом:
V2 = k·23C(CO)
Разделим второе выражение на первое (учитываем, что новая концентрация оксида углерода возводится в степень) и получаем:
V2 |
= |
k 23C |
3(CO) |
= |
23k C |
3(CO) |
=8 |
|
|
V1 |
k C3 |
(CO) |
k C3 |
(CO) |
|||
|
|
|
|
|||||
Ответ: Скорость реакции Fe2O3(Т) |
+ 3CO(Г) → после изменения дав- |
ления в 2 раза возрастет в 8 раз.
3. Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции, если повысить температуру на 50оС? (Темпера-
турный коэффициент γ для этой реакции равен 2.)
Решение. Для вычисления скорости реакции при изменении температуры надо пользоваться уравнением (3.2).
65
Подставив в математическое выражение правила Вант-Гоффа числовые значения температур и температурного коэффициента скорости реакции, получаем:
50
V2 = 210 = 25 = 32.
V1
Ответ: при повышении температуры на 50оС скорость реакции возрастет в
32раза.
4.Напишите математическое выражение константы химического равновесия для следующих реакций:
N2(Г) + O2(Г) |
2NO(Г) |
∆H > 0 |
CaCO3(Т) |
CaO(Т) + CO2(Г) |
∆H > 0 |
От каких факторов зависит константа химического равновесия?
Согласно (3.3) пишем:
а) К = [N[NO2 ][O]22 ];
б) K = [CO2].
Концентрации карбоната кальция (CaСO3) и оксида кальция (CaO) в выражение константы химического равновесия не входят, т.к. оба соединения твердые вещества.
Ответ на вторую часть вопроса (см. Учебник).
5. Сформулируйте принцип Ле Шателье. Объясните, в какую сторону будет смещаться химическое равновесие реакций (вопрос 4) при: а) повышении температуры; б) повышении давления.
Согласно принципу Ле Шателье химическое равновесие будет смещаться:
-при повышении температуры – в сторону эндотермической реакции (∆H >0);
-при повышении давления – равновесие смещается в сторону реакции, уменьшающей количество газообразных молекул.
Решение.
а) Реакция N2(Г) + O2(Г) |
2NO(Г) эндотермическая, т.к. ∆H > 0. |
66
Реакция CaCO3(Т) CaO(Т) +CO2(Г) эндотермическая, т.к. ∆H > 0. Следовательно, при повышении температуры равновесие этих реакций
будет смещаться в сторону прямой реакции, т.е. вправо.
б) При протекании реакции N2(Г) + O2(Г) 2NO(Г) число газообразных молекул не изменяется.
Следовательно, при повышении давления равновесие этой реакции не будет смещаться.
При протекании реакции CaCO3(Т) CaO(Т) + CO2(Г) число газообразных молекул изменяется. Следовательно, равновесие этой реакции при повышении давления будет смещаться в сторону обратной реакции (в левой части нет газообразных молекул, в правой части – одна молекула).
6. Найдите тепловой эффект реакции горения ацетилен., Сколько теплоты выделится, если сгорит 112 л (н.у.) C2H2?
Необходимо написать уравнение реакции горения ацетилена
C2H2 + 2,5O2 = 2CO2 + H2O.
Из приложения 7 находим величины энтальпии для всех веществ:
∆H0(СO2) = –393,5 кДж/моль; |
∆H0(H2O(г)) = –241,8 кДж/моль; |
∆H0(C2H2(г)) = +218,2 кДж/моль; |
∆H0(O2) = 0 кДж/моль. |
Тепловой эффект этой реакции можно рассчитать при помощи уравнения:
∆H0реакции = [2∆H0(СO2) + ∆H0(H2O)] – [∆H0(C2H2) + 2,5∆H0(O2)],
в котором стандартные энтальпии веществ, участвующих в реакции, умножены на стехиометрические коэффициенты, стоящие в уравнении реакции перед химическими формулами этих веществ.
∆H0реакции = [2(–393,5) + (–241,8)] – [(218,2) + 0] = –1247,0 кДж/моль.
Такое количество теплоты выделится, если в реакцию вступит один моль ацетилена, или 22,4 л. По условию задачи в реакцию вступает 112 л ацетилена, или 5 молей. В этом случае теплоты выделяется в 5 раз больше:
5·(1247,0) = 6235 кДж.
67
Ответ: ∆H0реакции = –1247,0 кДж, реакция экзотермическая; теплоты выделится 6235 кДж.
Вариант 1
1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих реакций:
S(Т) + O2(Г) →
2NO(Г) + O2(Г) →
Как читается закон действующих масс? От каких факторов зависит скорость химической реакции?
2.Во сколько раз увеличится скорость этих реакций, если давление увеличить в 3 раза? Докажите расчетом.
3.Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции, если повысить температуру на 60оС? (Температур-
ный коэффициент γ для этой реакции равен 2.)
4. Напишите математическое выражение константы химического равно-
весия для следующих реакций: |
|
|
CO(Г) + H2O(Г) |
CO2(Г) + H2(Г) |
∆H < 0 |
MgCO3(Т) |
MgO(Т) + CO2(Г) |
∆H > 0 |
От каких факторов зависит константа химического равновесия?
5.Сформулируйте принцип Ле Шателье. Объясните, в какую сторону будет смещаться химическое равновесие реакций (вопрос 4) при: а) повышении температуры; б) повышении давления.
6.Найдите тепловой эффект реакции горения пропана. Сколько теплоты выделится, если сгорит 89,6 л (н.у.) C3H8?
Вариант 2
1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих реакций:
C(Т) + CO2(Г) →
68
2NH3(Г) + O2(Г) →
Как читается закон действующих масс? От каких факторов зависит скорость химической реакции?
2.Во сколько раз увеличится скорость этих реакций, если давление уменьшить в 3 раза? Докажите расчетом.
3.Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции, если понизить температуру на 30оС? (Температур-
ный коэффициент γ для этой реакции равен 3.)
4. Напишите математическое выражение константы химического равно-
весия для следующих реакций: |
|
|
CO2(Г) + H2(Г) |
CO(Г) + H2O(Г) |
∆H < 0 |
MgO(Т) + CO2(Г) |
MgCO3(Т) |
∆H > 0 |
От каких факторов зависит константа химического равновесия?
5.Сформулируйте принцип Ле Шателье. Объясните, в какую сторону будет смещаться химическое равновесие реакций (вопрос 4) при: а) повышении температуры; б) понижении давления.
6.Найдите тепловой эффект реакции горения бутана. Сколько теплоты выделится, если сгорит 300 л (н.у.) C4H10?
Вариант 3
1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих реакций:
Fe2O3(Т) + 3CO(Г) →
N2O(Г) + 2O2(Г) →
Как читается закон действующих масс? От каких факторов зависит скорость химической реакции?
2. Во сколько раз уменьшится скорость этих реакций, если давление уменьшить в 3 раза? Докажите расчетом.
69
3. Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Во сколько раз уменьшится скорость химической реакции, если понизить температуру на 20оС? (Температур-
ный коэффициент γ для этой реакции равен 3.)
4. Напишите математическое выражение константы химического равно-
весия для следующих реакций: |
|
|
CO(Г) + H2O(Г) |
CO2(Г) + H2(Г) |
∆H > 0 |
FeO(Т) + H2(Г) |
Fe(Т) + H2O(Г) |
∆H > 0 |
От каких факторов зависит константа химического равновесия?
5.Сформулируйте принцип Ле Шателье. Объясните, в какую сторону будет смещаться химическое равновесие реакций (вопрос 4) при: а) понижении температуры; б) понижении давления.
6.Найдите тепловой эффект реакции горения октана. Сколько теплоты выделится, если сгорит 100 г C8H18?
Вариант 4
1. Напишите математическое выражение закона действующих масс для следующих реакций:
MnO2(Т) + 2CO(Г)
I2(Г) + H2(Г) →
Как читается закон действующих масс? рость химической реакции?
→
От каких факторов зависит ско-
2.Во сколько раз увеличится скорость этих реакций, если давление увеличить в 4 раза? Докажите расчетом.
3.Сформулируйте правило Вант-Гоффа. Во сколько раз увеличится скорость химической реакции, если повысить температуру на 50оС? (Температур-
ный коэффициент γ для этой реакции равен 3.)
4. Напишите математическое выражение константы химического равновесия для следующих реакций:
2SO2(Г) + O2(Г) |
2SO3(Г) ∆H < 0 |
70