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 (Q_p>0) – энтальпия системы уменьшается.

При эндотермических реакциях ΔH>0 (Q_p<0).

Изменения энтальпии в процессе образования данного вещества в стандартном состоянии их простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях, называются стандартной энтальпией образования ΔH⁰_298.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 ΔH⁰_обр или ΔH⁰_f.

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 (ΔH⁰_обр) 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.- ∑ΔН⁰_обр.^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 ΔН_х.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) – ΔН⁰_х.р. + 4ΔН⁰(Н₂О)г

Подставив значение ΔН⁰_х.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:

ΔН_х.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.

2NH_3(г)+ 3/2O_2(г)= N_2(г)+ 3H₂O_(г)

Решение: на основании следствия из закона Гесса имеем

ΔН = ∑Δ Н⁰_кон- ∑ΔН⁰_исх.= (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

C₂H_2(г)+ 5/2O_2(г)= 2CO_2(г)+ H₂O_(г)+ΔН

2. Написать выражение для расчета стандартного теплового эффекта реакции, пользуясь следствием из закона Гесса

ΔН⁰_х.р.= (2ΔН⁰(СО₂) + ΔН⁰(Н₂О)(г)– ΔН⁰(С₂Н₂)

Подставим в это выражение табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:

ΔН⁰_х.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)V_m

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 - ΔН_х.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 – ΔН_х.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.