Маругин, В..А. Неорганическая химия

-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