- •1. Энергетика процессов
- •1.1. Внутренняя энергия, энтальпия
- •1.2. Термохимия, закон Гесса
- •1.3 Энтропия
- •1.4. Энергия Гиббса
- •1.5. Критерий самопроизвольного протекания процессов
- •1.6. Изменение энергии Гиббса в окислительно-восстановительных реакциях
- •1.2. Термохимия, закон г.И. Гесса
- •1.3. Энтропия
- •1.4. Энергия Гиббса
- •1.5. Критерий самопроизвольного протекания процессов
- •1.6. Изменение энергии Гиббса в окислительно-восстановительных реакциях
1.2. Термохимия, закон г.И. Гесса
Пример 1. При сгорании 6,048 г водорода в кислороде при 298,15 К в стандартных условиях выделяется 857,5 кДж теплоты. Определить стандартную энтальпию образования H2O (ж) при 298,15 К.
Решение. Водород сгорает в кислороде согласно уравнению:
H2 (ж) + O2 (ж) = H2O (ж)
Все вещества находятся в стандартных состояниях, поэтому энтальпия сгорания 1 моль Н2 (2,016 г) и будет стандартной энтальпией образования Н2О (ж) при 298,15 К; найдем эту величину:
6,048 – 857,5
2,016 – х, откуда х = 258,8;
Hoбp.H2O(ж) = – 285,8 кДж/мoль.
Пример 2. Энтальпия какого процесса отвечает термину “стандартная энтальпия образования НNO3 при 298,15 К”:
а) H2 (г) + N2 (г) + O2 (г) = HNO3 (ж);
б) H2 (г) + N2 (г) + O3 (г) = HNO3 (ж);
в) H2 (г) + N2 (г) + O2 (г) = HNO3 (ж);
г) H2 (г) + N2 (г) + O2 (г) = HNO3 (к);
д.) N2O5 (к) + H2O(ж) = HNO3 (ж)?
Решение. При 298,15 К стандартными состояниями для простых веществ будут H2 (г), O2 (г) и N2 (г), а для азотной кислоты - жидкость (хотя можно говорить и о стандартных термодинамических функциях, например, и HNO3 (г)при этой температуре). Поэтому лишь процесс "а" строго отвечает названному термину.
Пример 3. Определить величину стандартной энтальпии образования C3H8 (г), если стандартные энтальпии образования CO2 (г) и Н2О (ж) равны соответственно –393,5 и –285,8 кДж/моль, а стандартная энтальпия сгорания С3Н8 (г) составляет –2219,9 кДж/моль.
Решение. Запишем уравнение процесса, соответствующего термину "стандартная энтальпия образования С3Н8 (г)":
3C (к, графит) + 4H2 (г) = C3H8 (г); .
Для определения Н воспользуемся 2-м следствием из закона Гесса (соотношение 1.12):
=3H0сгорС (к, графит) + 4H0сгорH2(г) – H0сгор.C3H8 (г).
Далее обратим внимание, что стандартные энтальпии образования СО2(г) и Н2O(ж) есть не что иное, как стандартные энтальпии сгорания графита и водорода. Следовательно:
=3H0обрСO2 (г)+ 4H0обрH2O (ж) – H0сгорC3H8 (г) =
= 3(–393,5) + 4(–285,8) – (–2219,9) = – 103,8 кДж/моль.
Пример 4. Энтальпия растворения Na2SO4 (к) в воде с образованием раствора состава Na2SO4 (к) 400 H2O составляет –1,5 кДж/моль, а энтальпия присоединения воды к Na2SO4 (к) c образованием Na2SO4 10H2O (к) равна –82,0 кДж/моль. Определить энтальпию растворения Na2SO410H2O (к) в воде с образованием раствора состава Na2SO4 400 H2O.
Решение.Запишем условие задачи в виде термохимических уравнений:
а) Na2SO4 (к) + 400 H2O (ж) = Na2SO4 (р-р, Na2SO4400H2O); H1;
б) Na2SO4 (к) + 10 H2O (ж) = Na2SO410H2O (к); H2;
в) Na2SO410H2O (к) + 390 H2O (ж) = Na2SO4 (р-р, Na2SO4400H2O); HХ.
Как видно, искомое (третье) уравнение получается путем вычитания второго термохимического уравнения из первого, следовательно:
HХ = H1–H2 = 1,5 – (–82,0) = 80,5 кДж.
Пример 5. На основе справочных данных определить, в каком случае в стандартных условиях выделится больше теплоты – при сгорании 2 моль CH4 или 1 моль C2H6?
Решение. Термохимические уравнения процессов горения:
СH4(г)+ 2O2(г)= CO2(г)+ 2H2O(ж);
С2H6(г)+ 3,5O2(г)= 2CO2(г)+ 3H2O(ж).
Выписываем из справочных данных стандартные энтальпии образования СО2(г), H2O(ж), CH4(г)и C2H6(г), пользуясь 1-м следствием из закона Гесса, вычисляем энтальпии написанных процессов, то есть стандартные энтальпии сгорания CH4(г)и C2H6(г):
H0сгорСH4(г)= H0обрCO2(г)+ 2H0обрH2O(ж)– H0обрСH4(г) – 2H0обрO2(г) == – 393,5 + 2(–285,8) – (–74,8) – 20 = –890,3 кДж;
H0сгорС2H6(г)= 2H0обрCO2(г)+ 3H0обрH2O(ж) – H0обрС2H6(г) – – 3,5H0обрO2(г)= 2(–393,5) + 3(–285,8) – (–84,7) – 3,50 = – 1273,9 кДж.
Из полученных величин следует, что при сгорании 2 моль CH4(г) выделяется теплоты больше, чем при сгорании 1 моль C2H6(г).
Пример 6.Вычислить среднюю энтальпию связи С–Н в метане на основе следующих термохимических данных:
1) C(к,графит)+ 2H2(г)= CH4(г), = –74,8 кДж;
2) H2(г)= 2H(г), = 436,0 кДж;
3) C (к,графит) = C (г) , =715,1 кДж.
Решение. Согласно определению средняя энтальпия связи С–Н в СН4 – это часть энтальпии следующего процесса:
CH4 (г)= C(г)+ 4H(г);= 4C–H.
Это уравнение может быть получено путем сложения третьего уравнения с удвоенным вторым уравнением и вычитанием из этой суммы первого уравнения, следовательно:
= 715,1 + 2(436,0)–(–74,8)=1661,9 кДж.
Отсюда:
H0ср.С–H = =415,5 кДж.
Пример 7.Определить энтальпию связи С–С в этане на основе следующих данных:
НобрС2Н6(г)= –84,7 кДж/моль; НсублимацииС(к,графит)= 715,1 кДж/моль;
НдисН2на атомы= 436,0 кДж; Нср.С–Н = 415,5 кДж/моль связи.
Решение.Запишем исходные данные в виде термохимических уравнений:
1) C(к,графит)+ 3H2 (г)= C2H6 (г),обрC2H6(г);
2) C(к,графит)= C(г),сублимацииC(к,графит);
3) H2(г)= 2H(г), диссоциацииH2на атомы.
Основой для нахождения искомой величины является термохимическое уравнение
C2H6(г)= 2C(г)+ 6H(г);
При распаде на атомы 1 моль С2Н6(г)будет разорвано 1 моль связей С–С и 6 моль связей С–Н, следовательно:
= + 6.
С другой стороны, может быть найдена на основе исходных термохимических данных, а именно – искомое уравнение получается путем сложения удвоенного второго уравнения с утроенным третьим уравнением и вычитания из полученной суммы первого уравнения, отсюда:
=2+3–=2715,1 + 3(436,0) – (–84,7) = 2822,9 кДж.
Находим теперь энтальпию связи С–С в этане:
= 2822,9 – 6(415,5) = 329,9 кДж/моль связи.