Энергетика химических процессов (термохимические расчеты)

Химическая термодинамика – раздел химии, изучающий энергетические эффекты химических реакций, направление и пределы их самопроизвольного протекания.

При проведении химической реакции изменяется внутренняя энергия системы U. Внутренняя энергия включает в себя все виды энергии системы (энергию движения и взаимодействия молекул, атомов, ядер, электронов и др. частиц, внутриядерную и др. виды энергии), кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом.

Изменение внутренней энергии можно измерить с помощью работы (A) и теплоты (Q). Соотношение между этими величинами устанавливает первый закон термодинамики:

Q = ΔU + A,

т.е., теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы против сил внешнего давления.

При постоянном давлении единственным видом работы является работа расширения, которая равна

A = pΔV.

Таким образом, первое начало термодинамики можно записать в виде:

Q_p = ΔU + pΔV = U₂ – U₁ + p(V₂ – V₁) = (U₂ + p V₂)-(U₁ + p V₁).

Величина U + pV = H называется энтальпией системы и является мерой теплосодержания системы.

Таким образом, при постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпии:

Q_p = H₂ – H₁ = ΔH

При постоянном объеме V₂ = V₁ и Q_V = ΔU. Q_V ≠ Q_p, т.о., тепловой эффект процесса зависит от условий протекания процесса.

За стандартные условия в термодинамике принимают равенство температур продуктов и исходных веществ и давление, равное одной атмосфере (101, 325 кПа).

Тепловой эффект реакции, измеренный в стандартных условиях, называется стандартной энтальпией и обозначается ΔH⁰ . В обозначении может указываться абсолютная температура (Т), например ΔH⁰_Т или ΔH⁰₂₉₈ (при температуре 25⁰С).

Тепловой эффект образования 1 моль сложного вещества из простых, называется теплотой образования вещества и обозначается ΔH⁰_f, кДж/моль.

Термохимические расчеты основаны на законе Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от природы физического состояния исходных и конечных веществ, но не зависит от пути перехода.

Решение. Уравнения реакций, в которых указан тепловой эффект, называют термохимическими. В термохимических уравнениях также указываются агрегатные состояния веществ: г - газообразное, ж – жидкое, к (т)– кристаллическое (твердое). Химическое уравнение данной в примере реакции:

2CuO_(к)+C_(к)=CO_2(г)+2Cu_(к)

Для записи термохимического уравнения необходимо рассчитать количество выделившегося тепла при восстановлении 2 моль CuO.

Mr (CuO)=63,5+16=79,5 г/моль.

Составляем пропорцию: при восстановлении 90г CuO выделилось 39,1 кДж тепла, а при восстановлении 2*79,5г CuO выделяется Q кДж тепла, т.е.

90 г CuO — 39,1 кДж

2·79,5 г CuO — Q кДж

кДж.

Если в результате реакции выделилась теплота, то ΔH<0.

Итак, термохимическое уравнение будет иметь следующий вид:

2CuO_(к)+C_(к)=CO_2(г)+2Cu_(к); ΔH°_х.р.= –69,1 кДж.

Задача 2. Используя табличные данные, рассчитайте тепловой эффект реакции

B₂O_3(к)+3Mg_(к)=2B_(к)+3MgO_(к).

Решение. Запишем третье следствие из закона Гесса для данной реакции.

ΔH⁰_х.р.=Σ n_кон ΔH⁰_f(кон)- Σ n_исх ΔH⁰_f(исх) =(2ּΔH⁰_f(B)+3ּΔH⁰_f(MgO))-(ΔH⁰_f(B₂O₃)+ 3ּΔH⁰_f(Mg))

Для простых веществ H⁰_f=0, для сложных веществ значения ΔH⁰_f берем из таблиц, т.о., ΔH⁰_f(B₂O₃)=-1254,0 кДж/моль;

ΔH⁰_f(Mg)=0;

ΔH⁰_f(B)=0;

ΔH⁰_f(MgO)=-601,2 кДж/моль.

ΔH⁰_х.р.=(2ּ0+3ּ(-601,2))-(-1254,0+3ּ0)= –549,6 кДж.

Таблица 1

Стандартные теплоты (энтальпии) образования ΔН⁰₂₉₈ некоторых веществ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Вычислите количество теплоты, которое выделилось при восстановлении Fe₂O₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.

2. Газообразный этиловый спирт C₂H₅OH можно получить при взаимодействии этилена C₂H₄(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислив ее тепловой эффект. Ответ: -45,76 кДж.

3. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются па́ры воды и сероуглерод CS₂(г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислите ее тепловой эффект. Ответ: +65,43 кДж.

4. Напишите термохимическое уравнение реакции между CO(г) и водородом, в результате которой образуются CH₄(г) и H₂O(г). Сколько теплоты выделилось при этой реакции, если было получено 67,2 л (н.у.) метана? Ответ: 618,48 кДж.

5. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, предварительно вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л (н.у.) аммиака? Ответ: 78,97 кДж.

6. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана C₂H₆(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ (н.у.) этана? Ответ: 63742,86 кДж.

7. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS. Ответ: -100,26 кДж/моль.

8. При сгорании 1 л ацетилена (н.у.) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксида углерода. Вычислите теплоту образования C₂H₂(г). Ответ: 226,75 кДж/моль.

9. При получении одного эквивалента гидроксида кальция из CaO(к) и H₂O(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция. Ответ: -635,6 кДж/моль.

10. Для термохимического процесса

Nа₂O_(т) + Н₂О_(ж) ® 2NaOH_(т) ; ∆Н⁰= -153,6 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию образования гидроксида натрия NaOH;

11. Для термохимического процесса

2NO (г) + O₂ (г) ® 2NO₂ (г); ∆Н⁰= -114,7 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию образования оксида азота (II);

12. Для термохимического процесса

4NH₃(г)+5O₂(г)=4NO(г)+6H₂O(г); ∆Н⁰= -906,5 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию образования аммиака;

13. Для термохимического процесса

2HNO_3(ж) + S_(т) =H₂SO_4(ж) + 2NO_(г); ∆Н⁰= −285,3 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию образования азотной кислоты;

14. Для термохимического процесса

4NH_3(г) + 3О_2(г) = 2N_2(г) + 6Н₂О_(ж); ∆Н⁰= −1532 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию образования аммиака;

15. Для термохимического процесса

4FeS_2(т) + 11О_2(г) = 2Fe₂O_3(т) + 8SO_2(г); ∆Н⁰= -3369,2 кДж

рассчитайте стандартную энтальпию образования сульфида железа FeS₂;

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: