загрузка...
 
6.2. Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения
Повернутись до змісту

6.2. Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения

Важным разделом химической термодинамики является термохимия – наука, которая изучает тепловые эффекты химических реакций.

Для описания тепловых эффектов химических реакций используется термодинамическая функция – энтальпия.

Энтальпия Н – это функция состояния, которая при постоянном давлении характеризует внутреннюю энергию системы и ее способность выполнять работу.

Изменение энтальпии системы (DH) в результате химического взаимодействия между веществами называется тепловым эффектом химической реакции.

Если в результате реакции энтальпия системы уменьшается (H2 < H1, DH < 0), то понятно, что теплота выделяется в окружающую среду, т. е. протекает экзотермический процесс (рис. 6.6 а, 6.7). И наоборот, увеличение энтальпии системы (H2 > H1, DH > 0) вследствие химической реакции свидетельствует о поглощении системой теплоты из окружающей среды и протекании эндотермического процесса (рис.6.6 б, 6.7).

Рисунок 6.6 – Схема термохимических реакций: а) экзотермическая; б) эндотермическая

Энтальпия химической реакции ?Нх.р и теплота реакции Q отличаются по физическому смыслу. Величина Q показывает количество теплоты, которое выделилось (+Q) в окружающую среду или поглотилось из нее (–Q) при любых условиях и при любом количестве вещества, а энтальпия DН относится к 1 моль вещества при постоянном давлении (Р = const). Другим отличием является знак («+» или «–») перед величинами Q и DН. Экзотермические реакции (+Q) сопровождаются выделением теплоты, значит, теплосодержание в системе уменьшается: DНпродуктов < DНреагентов, DH < 0. А при эндотермических реакциях (–Q) за счет поглощения теплоты (DНпродуктов > DНреагентов) количество теплоты в системе возрастает: DH > 0 (рис. 6.2). Количество теплоты Q и энтальпия реакции DH имеют противоположные знаки и связаны зависимостью:

DH = – Q / n   или Q = –Dn,

где n – количество вещества, моль.

Рисунок 6.7 – Изменение энергии реакционной системы в результате протекания экзо- и эндотермической реакции

Тепловые эффекты зависят от условий протекания реакций, поэтому для проведения термохимических расчетов нужны термохимические величины, измеренные при одинаковых условиях. Поэтому были приняты стандартные условия (Т = 298 К (250С) и Р = 101325 Па) и стандартное состояние – устойчивое состояние вещества при стандартных условиях. Например, при Т = 298 К (250С) и Р = 101325 Па стандартным состоянием для Н2О является жидкая вода, для Al – твердый алюминий, для NH3 – газообразный аммиак, хотя каждое из этих веществ можно перевести в другие агрегатные состояния.

Тепловой эффект реакции при стандартных условиях обозначают ?H298 и измеряют в [кДж/моль].

Для термохимических расчетов используют термохимические уравнения химических реакций.

Термохимическим уравнением называют уравнение химической реакции, в котором указаны ее тепловой эффект и фазовые состояния веществ.

Фазовое состояние вещества может быть: твердым (т), жидким (ж), газообразным (г). Например:              С3Н6О(г) + 4О2(г) = 3СО2(г) + 3Н2О(ж) ?H = –1817,0 кДж/моль.

Это термохимическое уравнение читается так: 1 моль газообразного ацетона (С3Н6О) реагирует с 4 моль газообразного кислорода (О2) и образуется 3 моль газообразного углекислого газа (СО2), 3 моль жидкой воды (Н2О) и выделяется 1817,0 кДж теплоты.

С термохимическими уравненими можно производить такие же математические действия, как и с алгебраическими уравнениями: складывать (вычитать) друг с другом вместе с их тепловыми эффектами, умножать или делить каждый член термохимического уравнения на одно и то же число.

Тепловые эффекты химических реакций определяют экспериментально или на основании расчетов. Рассмотрим примеры использования термохимических уравнений для расчетов.

Пример 6.1. Рассчитайте тепловой эффект реакции разложения NO, если известны тепловые эффекты двух реакций:

1) ,         ,

2) ,           .

Решение. Сложим уравнения (1) и (2) – отдельно левые и правые части:

.

После сокращения остается

             .- ?

Тепловой эффект этой реакции равен

.

Пример 6.2. Определите количество теплоты, которая поглощается при образовании 11,2 л NO при стандартных условиях, если тепловой эффект реакции DН0х.р.= +180,8кДж.

Решение. Составим термохимическое уравние реакции

N2(г) + O2(г)  2NO(г),      DН0 х.р.= +180,8 кДж.

Рассчитаем количество вещества NO:

?(NO) =V/VM = 11,2 л / 22,4 л/моль  = 0,5 моль.

Воспользуемся уравнением Q = –Dn:

Q = –Dn = –180,0 кДж/моль·0,5 моль = –45,2 кДж.

Пример 6.3. Составьте термохимическое уравнение реакции горения этанола, если извстно, что при сжигании 4,6г С2Н5ОН выделяется 136,7 кДж теплоты.

Решение. Для составления термохимического уравнения следует рассчитать тепловой эффект реакции в расчете на сгорание 1 моль С2Н5ОН.

Найдем количество вещества этанола

?(С2Н5ОН) = m/M =4,6 / 46 = 0,1 моль.

Согласно условию задачи Q =136,7 кДж, тогда тепловой эффект реакции

DH = –Q / n = –137 / 0,1 = –1370 кДж/моль.

Термохимическое уравние реакции

С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж);         DН0 х.р= – 1370 кДж.

Пример 6.4. Используя термохимическое уравнение , , рассчитайте массу углерода и объем кислорода, если во время реакции выделилось 788 кДж теплоты.

Решение. Для решения этой задачи воспользуемся методом пропорций и определим количество вещества кислорода:

     .

Тогда объем кислорода равен:

.

Из термохимического уравнения

,

видно, что ?(С) = ?(О2). Найдем массу углерода:

.

Пример 6.5. Используя термохимическое уравнение , , рассчитайте количество теплоты, которое выделится во время сгорания кислорода объемом 11,2 л.

Решение. Эта задача противоположна предыдущей. Рассчитаем количество вещества кислорода:

И снова воспользуемся методом пропорций:

       

Значит, при сгорании кислорода объемом 0,0112 м3 выделяется 192 кДж теплоты.

Ключевые слова и термины

Русский

Украинский

Английский

Французский

Арабский

нормальные условия

нормальні умови

normale condition

congitions normals

???? ??????

однородный

однорідний

homogeneous

homog?ne

???? ?????

поверхность раздела

поверхня поділу

interface

interface

????? ??????

самопроизвольный

самочинний

spontaneous

spontan?

??????

скачкообразно

стрибкоподібно

by leaps and bounds

sauter

???????? ??????

следствие

наслідок

consequence

consequence

?????

сопровождает

супроводжується

accompagner

accompagne

??????

стандартные условия

стандартні умови

standard condition

congitions standarts

???? ??????? ( ?????? )

термохимическое уравнение

термохімічне

рівняння

thermochemical equation

thermochemical equation

???????? ????????

термохимия

термохімія

thermochemistry

thermochimie

???????? ????????

энтальпия

ентальпія

enthalpy

enthalphie

??? , ???? ???? ????????

Контрольные вопросы

Что изучает химическая термодинамика?

Что изучает термохимия?

Какие реакции называют: а) экзотермическими; б) эндотермическими?

Как связаны между собою количество теплоты Q и энтальпия реакции DH?

Что такое термохимическое уравнение?

Задания для самостоятельной работы

Укажите сведения, которые необходимо приводить в термохимических уравнениях реакции:

а) температура реакции;                   б) величина теплового эффекта;

в) фазовое состояние веществ;        г) энтальпии образования веществ.

Исходя их термохимического уравнения  Fe(т) + S(т)  FeS(т); DН0298 = –100,3 кДж,

определите количество теплоты, которое выделится или поглотится, если в реакцию вступит 0,5 моль железа:

а) выделится 100,3 кДж;       б) поглотится 100,3 кДж;

в) поглотится 50,15 кДж;     г) выделится 50,15 кДж.

Энтальпия образования аммиака DН0f,NH3 = –46,2 кДж/моль. Сколько теплоты выделится (или поглотится) при разложении 2 моль NH3:

а) выделится 46,2 кДж; б) поглотится 46,2 кДж;

в) поглотится 92,4 кДж; г) выделится 92,4 кДж?

Используя термохимическое уравнение ,  рассчитайте: а) количество теплоты, которое выделится при получении  объемом 44,8 м3; б) объем кислорода, который вступил в химическую реакцию (н. у.), если выделилось 3000 кДж теплоты.

По термохимическому уравнению ,  рассчитайте: а) количество теплоты, которое выделится при получении  объемом 1 л (н. у.); б) количество теплоты, которое выделится, если в реакцию вступило 10 кг ; в) объем , если выделилось 204,4 кДж теплоты.

По термохимическому уравнению , рассчитайте: а) объем кислорода, который вступает в реакцию (н. у.), если выделилось 12,67 кДж теплоты; б) массу , которая образуется, если выделилось 253,42 кДж теплоты; в) количество теплоты, которое выделится при окислении  объемом 20 л.



загрузка...