Jak obliczyć standardowy efekt cieplny. Ciepło reakcji i obliczenia termochemiczne

Ćwiczenia 81.
Oblicz ilość ciepła wydzielonego podczas redukcji Fe 2 O 3 metaliczne aluminium, jeśli otrzymano 335,1 g żelaza. Odpowiedź: 2543,1 kJ.
Rozwiązanie:
Równanie reakcji:

= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 -(-822,1) = -847,7 kJ

Ilość ciepła uwolnionego po otrzymaniu 335,1 g żelaza oblicza się z proporcji:

(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,

gdzie 55,85 masa atomowa gruczoł.

Odpowiedź: 2543,1 kJ.

Efekt termiczny reakcji

Zadanie 82.
Gazowy alkohol etylowy C2H5OH można otrzymać w wyniku oddziaływania etylenu C2H4 (g) i pary wodnej. Zapisz równanie termochemiczne tej reakcji, obliczywszy wcześniej jej efekt termiczny. Odpowiedź: -45,76 kJ.
Rozwiązanie:
Równanie reakcji to:

C2H4 (g) + H2O (g) = C2H5OH (g); =?

Wartości standardowych ciepła tworzenia substancji podano w specjalnych tabelach. Biorąc pod uwagę ciepło tworzenia proste substancje warunkowo przyjmowana jako równa zero. Obliczmy efekt termiczny reakcji korzystając z konsekwencji prawa Hessa, otrzymamy:

= (C 2 H 5 OH) – [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = - 45,76 kJ

Równania reakcji, w których o symbolach związki chemiczne wskazane są ich stany skupienia lub modyfikacji krystalicznej, a także liczbowa wartość efektów termicznych, zwanych termochemicznymi. W równaniach termochemicznych, jeśli nie określono inaczej, wartości efektów cieplnych przy stałym ciśnieniu Q p są wskazane jako równe zmianie entalpii układu. Wartość podaje się zwykle po prawej stronie równania, oddzielając ją przecinkiem lub średnikiem. Akceptowane są następujące skrócone oznaczenia stanu skupienia substancji: G- gazowy, I- płyn, Do

Jeżeli w wyniku reakcji wydziela się ciepło, to tak< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) = C 2 H 5 OH (g); = - 45,76 kJ.

Odpowiedź:- 45,76 kJ.

Zadanie 83.
Oblicz efekt termiczny reakcji redukcji tlenku żelaza(II) wodorem na podstawie poniższych równań termochemicznych:

a) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/2O 2 (g) = CO 2 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/2O2 (g) = H2O (g); = -241,83 kJ.
Odpowiedź: +27,99 kJ.

Rozwiązanie:
Równanie reakcji redukcji tlenku żelaza (II) wodorem ma postać:

EeO (k) + H2 (g) = Fe (k) + H2O (g); =?

= (H2O) – [ (FeO)

Ciepło tworzenia się wody jest określone równaniem

H2(g) + 1/2O2 (g) = H2O (g); = -241,83 kJ,

a ciepło tworzenia tlenku żelaza (II) można obliczyć, odejmując równanie (a) od równania (b).

=(c) - (b) - (a) = -241,83 – [-283,o – (-13,18)] = +27,99 kJ.

Odpowiedź:+27,99 kJ.

Zadanie 84.
Kiedy gazowy siarkowodór i dwutlenek węgla oddziałują, powstaje para wodna i dwusiarczek węgla CS 2 (g). Zapisz równanie termochemiczne tej reakcji i najpierw oblicz jej efekt termiczny. Odpowiedź: +65,43 kJ.
Rozwiązanie:
G- gazowy, I- płyn, Do-- krystaliczny. Symbole te są pomijane, jeśli stan skupienia substancji jest oczywisty, na przykład O 2, H 2 itp.
Równanie reakcji to:

2H2S (g) + CO2 (g) = 2H2O (g) + CS2 (g); =?

Wartości standardowych ciepła tworzenia substancji podano w specjalnych tabelach. Biorąc pod uwagę, że ciepło tworzenia prostych substancji tradycyjnie przyjmuje się za zero. Efekt termiczny reakcji można obliczyć, korzystając z prawa Hessa:

= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.

2H2S (g) + CO2 (g) = 2H2O (g) + CS2 (g); = +65,43 kJ.

Odpowiedź:+65,43 kJ.

Równanie reakcji termochemicznej

Zadanie 85.
Napisz równanie termochemiczne reakcji CO (g) z wodorem, w wyniku której powstają CH 4 (g) i H 2 O (g). Ile ciepła zostanie wydzielone podczas tej reakcji, jeśli w normalnych warunkach wytworzy się 67,2 litrów metanu? Odpowiedź: 618,48 kJ.
Rozwiązanie:
Równania reakcji, w których obok symboli związków chemicznych wskazany jest ich stan skupienia lub modyfikacji kryształów, a także liczbowa wartość efektów cieplnych, nazywane są termochemicznymi. W równaniach termochemicznych, jeśli nie określono inaczej, wskazane są wartości efektów cieplnych przy stałym ciśnieniu Q p równe zmianie entalpii układu. Wartość podaje się zwykle po prawej stronie równania, oddzielając ją przecinkiem lub średnikiem. Akceptowane są następujące skrócone oznaczenia stanu skupienia substancji: G- gazowy, I- coś, Do- krystaliczny. Symbole te są pomijane, jeśli stan skupienia substancji jest oczywisty, na przykład O 2, H 2 itp.
Równanie reakcji to:

CO (g) + 3H 2 (g) = CH 4 (g) + H 2 O (g); =?

Wartości standardowych ciepła tworzenia substancji podano w specjalnych tabelach. Biorąc pod uwagę, że ciepło tworzenia prostych substancji tradycyjnie przyjmuje się za zero. Efekt termiczny reakcji można obliczyć, korzystając z prawa Hessa:

= (H2O) + (CH4) – (CO)];
= (-241,83) + (-74,84) ​​– (-110,52) = -206,16 kJ.

Równanie termochemiczne będzie wyglądało następująco:

22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x = 67,2 (-206,16)/22?4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.

Odpowiedź: 618,48 kJ.

Ciepło formowania

Zadanie 86.
Efekt termiczny, którego reakcja jest równa ciepłu tworzenia. Oblicz ciepło tworzenia NO na podstawie następujących równań termochemicznych:
a) 4NH3 (g) + 5O2 (g) = 4NO (g) + 6H2O (l); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (g) + 3O2 (g) = 2N2 (g) + 6H2O (l); = -1530,28 kJ
Odpowiedź: 90,37 kJ.
Rozwiązanie:
Standardowe ciepło tworzenia jest równe ciepłu reakcji tworzenia 1 mola tej substancji z substancji prostych w warunkach normalnych (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). Tworzenie NO z prostych substancji można przedstawić w następujący sposób:

1/2N 2 + 1/2O 2 = NIE

Podana jest reakcja (a), w wyniku której powstają 4 mole NO, oraz reakcja (b), w wyniku której powstają 2 mole N2. W obu reakcjach bierze udział tlen. Dlatego też, aby wyznaczyć ciepło standardowe tworzenia NO, układamy następujący cykl Hessa, czyli od równania (b) należy odjąć równanie (a):

Zatem 1/2N 2 + 1/2O 2 = NIE; = +90,37 kJ.

Odpowiedź: 618,48 kJ.

Zadanie 87.
Krystaliczny chlorek amonu powstaje w wyniku reakcji amoniaku i gazowego chlorowodoru. Zapisz równanie termochemiczne tej reakcji, obliczywszy wcześniej jej efekt termiczny. Ile ciepła wydzieli się, jeśli w reakcji zużyto 10 litrów amoniaku, obliczone w normalnych warunkach? Odpowiedź: 78,97 kJ.
Rozwiązanie:
Równania reakcji, w których obok symboli związków chemicznych wskazany jest ich stan skupienia lub modyfikacji kryształów, a także liczbowa wartość efektów cieplnych, nazywane są termochemicznymi. W równaniach termochemicznych, jeśli nie określono inaczej, wskazane są wartości efektów cieplnych przy stałym ciśnieniu Q p równe zmianie entalpii układu. Wartość podaje się zwykle po prawej stronie równania, oddzielając ją przecinkiem lub średnikiem. Przyjęto: Do-- krystaliczny. Symbole te są pomijane, jeśli stan skupienia substancji jest oczywisty, na przykład O 2, H 2 itp.
Równanie reakcji to:

NH3 (g) + HCl (g) = NH4Cl (k). ; =?

Wartości standardowych ciepła tworzenia substancji podano w specjalnych tabelach. Biorąc pod uwagę, że ciepło tworzenia prostych substancji tradycyjnie przyjmuje się za zero. Efekt termiczny reakcji można obliczyć, korzystając z prawa Hessa:

= (NH4Cl) – [(NH3) + (HCl)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.

Równanie termochemiczne będzie wyglądało następująco:

Ciepło wydzielone podczas reakcji 10 litrów amoniaku w tej reakcji określa się z proporcji:

22,4 : -176,85 = 10 : X; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.

Odpowiedź: 78,97 kJ.

W termochemii ilość ciepła Q substancja uwalniana lub absorbowana w wyniku reakcji chemicznej efekt termiczny. Nazywa się reakcje zachodzące wraz z wydzielaniem ciepła egzotermiczny (Q>0) i przy absorpcji ciepła - endotermiczny (Q<0 ).

Odpowiednio w termodynamice nazywane są procesy, w których uwalniane jest ciepło egzotermiczny oraz procesy, w których ciepło jest absorbowane - endotermiczny.

Zgodnie z wnioskiem z pierwszej zasady termodynamiki w przypadku procesów izochorycznych-izotermicznych efekt termiczny jest równy zmianie energii wewnętrznej układu .

Ponieważ w termochemii stosuje się znak przeciwny w odniesieniu do termodynamiki.

W przypadku procesów izobaryczno-izotermicznych efekt termiczny jest równy zmianie entalpii układu .

Jeśli D H > 0- proces zachodzi z absorpcją ciepła i jest endotermiczny.

Jeśli D H< 0 - procesowi towarzyszy wydzielanie ciepła i tak jest egzotermiczny.

Z pierwszej zasady termodynamiki wynika Prawo Hessa:

efekt termiczny reakcji chemicznych zależy tylko od rodzaju i stanu Materiały wyjściowe i produktów końcowych, ale nie zależy od drogi przejścia od stanu początkowego do stanu końcowego.

Konsekwencją tego prawa jest zasada, że Za pomocą równań termochemicznych można wykonywać zwykłe operacje algebraiczne.

Jako przykład rozważ reakcję utleniania węgla do CO2.

Przejście od substancji początkowych do substancji końcowych można osiągnąć poprzez bezpośrednie spalanie węgla do CO 2:

C (t) + O 2 (g) = CO 2 (g).

Efekt cieplny tej reakcji wynosi Δ H 1.

Proces ten można przeprowadzić dwuetapowo (ryc. 4). W pierwszym etapie węgiel spala się do CO zgodnie z reakcją

C (t) + O 2 (g) = CO (g),

w drugim CO spala się do CO2

CO (t) + O 2 (g) = CO 2 (g).

Efekty termiczne tych reakcji wynoszą odpowiednio Δ H 2 iΔ N 3.

Ryż. 4. Schemat procesu spalania węgla do CO 2

Wszystkie trzy procesy znajdują szerokie zastosowanie w praktyce. Prawo Hessa pozwala nam powiązać skutki termiczne tych trzech procesów z równaniem:

Δ H 1=Δ H 2 + Δ N 3.

Efekty cieplne pierwszego i trzeciego procesu można zmierzyć stosunkowo łatwo, natomiast spalanie węgla do tlenku węgla przy wysokie temperatury trudny. Jego efekt termiczny można obliczyć:

Δ H 2=Δ H 1 - Δ N 3.

wartości Δ H 1 i Δ H 2 zależy od rodzaju użytego węgla. Wartość Δ N 3 nie z tym związane. Kiedy jeden mol CO spala się pod stałym ciśnieniem w temperaturze 298 K, ilość ciepła wynosi Δ N 3= -283,395 kJ/mol. Δ H 1= -393,86 kJ/mol przy 298 K. Następnie przy 298 K Δ H 2= -393,86 + 283,395 = -110,465 kJ/mol.

Prawo Hessa umożliwia obliczenie skutków cieplnych procesów, dla których nie ma danych eksperymentalnych lub dla których nie można ich zmierzyć odpowiednie warunki. Dotyczy to reakcji chemicznych oraz procesów rozpuszczania, parowania, krystalizacji, adsorpcji itp.

Stosując prawo Hessa, należy ściśle przestrzegać następujących warunków:

Obydwa procesy muszą mieć rzeczywiście identyczne stany początkowe i rzeczywiście identyczne stany końcowe;

Nie tylko powinny być takie same składy chemiczne produktów, ale także warunki ich istnienia (temperatura, ciśnienie itp.) i stan skupienia, a dla substancje krystaliczne i modyfikacja kryształów.

Przy obliczaniu skutków cieplnych reakcji chemicznych w oparciu o prawo Hessa zwykle stosuje się dwa rodzaje efektów termicznych - ciepło spalania i ciepło tworzenia.

Ciepło formacji zwany efektem termicznym reakcji tworzenia tego połączenia z prostych substancji.

Ciepło spalania jest efektem termicznym reakcji utleniania danego związku z tlenem z wytworzeniem wyższych tlenków odpowiednich pierwiastków lub związków tych tlenków.

Wartości referencyjne dla efektów termicznych i innych wielkości zwykle odnoszą się do stanu standardowego substancji.

Jak stan standardowy indywidualny płyn i ciała stałe przyjąć ich stan w danej temperaturze i ciśnieniu równym jednej atmosferze, a dla poszczególnych gazów - ich stan, gdy przy danej temperaturze i ciśnieniu równym 1,01·10 5 Pa (1 atm.) mają one właściwości ideału gaz. Aby ułatwić obliczenia, powołano się na dane referencyjne temperatura standardowa 298 tys.

Jeśli dowolny element może występować w kilku modyfikacjach, to modyfikacja jest stabilna w temperaturze 298 K i ciśnienie atmosferyczne równy 1,01·10 5 Pa (1 atm.)

Wszystkie wielkości związane ze stanem normalnym substancji oznaczono indeksem górnym w postaci okręgu: . W procesach metalurgicznych większość związków powstaje w wyniku wyzwolenia ciepła, więc dla nich przyrost entalpii wynosi . Dla elementów w stanie standardowym wartość wynosi .

Korzystając z danych referencyjnych dla standardowych ciepła tworzenia substancji biorących udział w reakcji, można łatwo obliczyć efekt termiczny reakcji.

Z prawa Hessa wynika, że:efekt termiczny reakcji jest równy różnicy ciepła tworzenia wszystkich substancji wskazanych po prawej stronie równania(substancje końcowe lub produkty reakcji) , oraz ciepło tworzenia wszystkich substancji wskazane po lewej stronie równania(Materiały wyjściowe) , wzięty ze współczynnikami, równe współczynniki przed wzorami tych substancji w równaniu reakcji:

Gdzie N- liczba moli substancji biorącej udział w reakcji.

Przykład. Obliczmy efekt termiczny reakcji Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2. Ciepła tworzenia substancji biorących udział w reakcji wynoszą: dla Fe 3 O 4, dla CO, dla FeO, dla CO 2.

Efekt termiczny reakcji:

Ponieważ reakcja w temperaturze 298 K jest endotermiczna, tj. wiąże się z absorpcją ciepła.

Wszystkie metody obliczania efektów cieplnych opierają się na równaniu Kirchhoffa w postaci całkowej.

Najczęściej jako pierwszą temperaturę stosuje się standardową temperaturę 298,15 K.

Wszystkie metody obliczania efektów cieplnych sprowadzają się do metod obliczania całki z prawej strony równania.

Metody obliczania całki:

I. W oparciu o średnie pojemności cieplne. Ta metoda jest najprostszy i najmniej dokładny. W takim przypadku wyrażenie pod znakiem całki zostaje zastąpione zmianą średnia pojemność cieplna, która nie zależy od temperatury w wybranym zakresie.

Dla większości reakcji zestawiono i zmierzono średnie pojemności cieplne. Można je łatwo obliczyć, korzystając z danych referencyjnych.

II. Według rzeczywistych pojemności cieplnych. (Używając serii temperatur)

W tej metodzie całkę pojemności cieplnej zapisuje się jako szereg temperaturowy:

III. Według wysokotemperaturowych składników entalpii. Otrzymano tę metodę rozpowszechniony wraz z rozwojem technologii rakietowej w obliczaniu skutków cieplnych reakcji chemicznych w wysokich temperaturach. Opiera się ona na definicji izobarycznej pojemności cieplnej:

Wysokotemperaturowy składnik entalpii. Pokazuje, jak bardzo zmieni się entalpia pojedynczej substancji, gdy zostanie ona podgrzana o określoną liczbę stopni.

Dla reakcji chemicznej piszemy:

Zatem:

Wykład nr 3.

Zarys wykładu:

1. II zasada termodynamiki, definicja, zapis matematyczny.

2. Analiza II zasady termodynamiki

3. Obliczanie zmian entropii w niektórych procesach

Każdej reakcji chemicznej towarzyszy uwolnienie lub absorpcja energii w postaci ciepła.

Rozróżniają na podstawie uwalniania lub pochłaniania ciepła egzotermiczny I endotermiczny reakcje.

Egzotermiczny reakcje to reakcje, podczas których wydziela się ciepło (+Q).

Reakcje endotermiczne to reakcje, podczas których pochłaniane jest ciepło (-Q).

Efekt termiczny reakcji (Q) to ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego podczas interakcji określonej ilości odczynników początkowych.

Równanie termochemiczne to równanie określające efekt termiczny reakcji chemicznej. Na przykład równania termochemiczne są następujące:

Należy również zauważyć, że równania termochemiczne muszą koniecznie zawierać informacje o stany skupienia odczynników i produktów, ponieważ od tego zależy wartość efekt termiczny.

Obliczenia efektu cieplnego reakcji

Przykład typowe zadanie aby znaleźć efekt termiczny reakcji:

Gdy 45 g glukozy reaguje z nadmiarem tlenu zgodnie z równaniem

C 6 H 12 O 6 (ciało stałe) + 6O 2 (g) = 6CO 2 (g) + 6H 2 O (g) + Q

Wydzieliło się 700 kJ ciepła. Określ efekt termiczny reakcji. (Wpisz liczbę z dokładnością do najbliższej liczby całkowitej.)

Rozwiązanie:

Obliczmy ilość glukozy:

n(C 6 H 12 O 6) = m(C 6 H 12 O 6) / M(C 6 H 12 O 6) = 45 g / 180 g/mol = 0,25 mol

Te. Kiedy 0,25 mola glukozy wchodzi w interakcję z tlenem, wydziela się 700 kJ ciepła. Z równania termochemicznego przedstawionego w warunku wynika, że ​​w wyniku oddziaływania 1 mola glukozy z tlenem powstaje ilość ciepła równa Q (efekt termiczny reakcji). Wtedy prawidłowa jest proporcja:

0,25 mola glukozy - 700 kJ

1 mol glukozy – Q

Z tej proporcji wynika odpowiednie równanie:

0,25 / 1 = 700 / Q

Rozwiązując które, stwierdzamy, że:

Zatem efekt termiczny reakcji wynosi 2800 kJ.

Obliczenia z wykorzystaniem równań termochemicznych

Znacznie częściej w Zadania z egzaminu jednolitego stanu w termochemii wartość efektu cieplnego jest już znana, ponieważ warunek daje pełne równanie termochemiczne.

W takim przypadku należy albo obliczyć ilość ciepła wydzielonego/pochłoniętego przy znanej ilości odczynnika lub produktu, albo odwrotnie, zgodnie z znana wartość ciepło, wymagane jest określenie masy, objętości lub ilości substancji dowolnego uczestnika reakcji.

Przykład 1

Zgodnie z równaniem reakcji termochemicznej

3Fe 3 O 4 (tv.) + 8Al (tv.) = 9Fe (tv.) + 4Al 2 O 3 (tv.) + 3330 kJ

Powstało 68 g tlenku glinu. Ile ciepła zostało uwolnione? (Wpisz liczbę z dokładnością do najbliższej liczby całkowitej.)

Rozwiązanie

Obliczmy ilość substancji tlenku glinu:

n(Al 2 O 3) = m(Al 2 O 3) / M(Al 2 O 3) = 68 g / 102 g/mol = 0,667 mol

Zgodnie z termochemicznym równaniem reakcji, gdy powstają 4 mole tlenku glinu, uwalnia się 3330 kJ. W naszym przypadku powstaje 0,6667 mola tlenku glinu. Oznaczając ilość wydzielonego w tym przypadku ciepła przez x kJ, tworzymy proporcję:

4 mole Al 2 O 3 - 3330 kJ

0,667 mol Al 2 O 3 - x kJ

Proporcja ta odpowiada równaniu:

4 / 0,6667 = 3330 / x

Rozwiązując to, stwierdzamy, że x = 555 kJ

Te. gdy zgodnie z równaniem termochemicznym w danym stanie utworzy się 68 g tlenku glinu, wydziela się 555 kJ ciepła.

Przykład 2

W wyniku reakcji, której równanie termochemiczne

4FeS 2 (tv.) + 11O 2 (g) = 8SO 2 (g) + 2Fe 2 O 3 (tv.) + 3310 kJ

Wydzieliło się 1655 kJ ciepła. Określ objętość (l) uwolnionego dwutlenku siarki (liczba). (Wpisz liczbę z dokładnością do najbliższej liczby całkowitej.)

Rozwiązanie

Zgodnie z termochemicznym równaniem reakcji, gdy powstaje 8 moli SO 2, wydziela się 3310 kJ ciepła. W naszym przypadku wydzieliło się 1655 kJ ciepła. Niech ilość SO2 utworzonego w tym przypadku będzie wynosić x mol. Wtedy sprawiedliwa jest następująca proporcja:

8 moli SO2 - 3310 kJ

x mol SO2 - 1655 kJ

Z czego wynika równanie:

8 / x = 3310 / 1655

Rozwiązując które, stwierdzamy, że:

Zatem ilość substancji SO2 utworzonej w tym przypadku wynosi 4 mole. Dlatego jego objętość jest równa:

V(SO 2) = V m ∙ n(SO 2) = 22,4 l/mol ∙ 4 mol = 89,6 l ≈ 90 l(w zaokrągleniu do liczb całkowitych, ponieważ jest to wymagane w warunku.)

Można znaleźć bardziej przeanalizowane problemy dotyczące termicznego efektu reakcji chemicznej.