ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Большинство химических реакций протекает либо с выделением, либо с поглощением энергии. Если в результате реакции выделяется тепловая энергия, то образующиеся вещества будут обладать меньшим запасом химической энергии, чем вступающие в реакцию. Теплосодержание (энтальпия) системы будет уменьшаться. Такие реакции называются экзотермическими. Если же в результате химической реакции теплота поглощается, то образующиеся вещества будут обладать большим запасом внутренней энергии, теплосодержание системы увеличивается. Такие реакции называются эндотермическими.

Раздел химии, изучающий энергетические эффекты химических реакций, называется термохимией.

Единицей измерения теплоты является калория (количество теплоты, необходимое для нагрева одного грамма воды на один градус Цельсия). В системе СИ (интернациональная система) в качестве основной единицы для измерения теплоты установлен джоуль. 1 кал = 4,18 Дж или 1 Дж = 0,239 кал. Обозначается теплота буквой Q, изменение внутренней энергии обозначается ∆ U, изменение энтальпии (теплосодержания) − ∆ Н.

Химические процессы, происходящие при постоянном объеме,

называются изохорными, а при постоянном давлении – изобарными.

В реакциях с участием жидких и твердых тел работа при расширении или сжатии очень мала. Ею можно пренебречь. Поэтому в таких системах ∆ U = ∆ Н, т. е. Q_V = Q_p. То же будет наблюдаться в реакции с газами, если не происходит изменения числа реагирующих молекул.

Символы Q_V и Q_p приняты в термохимической системе, а ∆ U и ∆ Н − в термодинамической. Их численные значения равны,

но противоположны по знаку, т. е. ∆ Н = − Q или Q = − ∆ Н.

В термохимических уравнениях выделяющаяся энергия записывается в правой части равенства со знаком «+» (+ Q) или «−» (−∆ Н), а поглощаемая энергия со знаком «−» (– Q) или «+» (+ ∆ Н).

Пример термохимического уравнения реакции образования оксида азота (II):

N_2(г) + O_2(г) 2 NО(г); Δ Н = 180,5 кДж.

При образовании 2 моль оксида азота (II) из азота и кислорода поглощается 180,5 кДж. Это эндотермическая реакция.

В термохимическом уравнении в скобках указывается агрегатное состояние каждого вещества, а также допускаются дробные коэффициенты, так как расчеты ведутся на моли вещества.

Энергетическое состояние каждого сложного вещества может быть охарактеризовано теплотой образования этого вещества.

Теплотой образования сложного вещества называется

количество энергии, выделяемое или поглощаемое при образовании одного моля сложного вещества из простых веществ. Теплота

образования простых веществ условно принята равной нулю.

Все термохимические расчеты основаны на двух законах термохимии:

1 Закон Лавуазье-Лапласа: теплота образования сложного вещества равна по абсолютной величине теплоте его разложения, но обратна по знаку.

2 Закон Гесса: тепловой эффект химической реакции зависит

только от начального и конечного состояний реагирующих веществ и не зависит от промежуточных стадий процессов.

Отсюда следует, что общий тепловой эффект процесса равен сумме тепловых эффектов промежуточных стадий или что общий тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой тепловых эффектов образования получающихся веществ и суммой тепловых эффектов образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов уравнения реакции.

Термохимия помогает также рассчитать тепловые эффекты, сопровождающие растворение веществ. Растворение – это сложный физико-химический процесс. При растворении кристаллического вещества требуется энергия на разрушение кристаллической решетки. Это процесс эндотермический. Одновременно протекает и экзотермический процесс, обусловленный взаимодействием частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Это явление получило название сольватации (или гидратации, если растворителем является вода). Суммарный тепловой эффект может быть величиной как положительной, так и отрицательной. Все зависит от того, какой из вышеназванных процессов преобладает. Количество тепловой энергии, выделяемой или поглощаемой при растворении одного моля вещества в определенном количестве растворителя, называется теплотой растворения. Тепловые эффекты растворения выражаются так же, как и тепловые эффекты химических реакций.

Изменение энтальпии ∆ Н будет иметь положительное значение, если процесс растворения сопровождается поглощением энергии, и отрицательное, если энергия выделяется.

При растворении в воде безводной соли, способной к образованию гидратов, протекают последовательно два процесса: собственное растворение и гидратация. Теплотой гидратации называется количество тепловой энергии, выделяющейся при образовании одного моля гидрата из безводной соли и воды.

Задачи

1 Напишите термохимическое уравнение реакции образования оксида алюминия, если известно, что сжигание 9 г алюминия сопровождается выделением 279,2 кДж теплоты.

2 Учитывая термохимическое уравнение реакции:

2H₂S(г) + 3О₂ (г) = 2SO₂ (г) + 2Н₂О + 857,3 кДж,

вычислите, сколько теплоты выделяется при сжигании 17 г сероводорода.

3 При взаимодействии 13 г цинка с серой выделилось 40 кДж теплоты. Определить теплоту образования сульфата цинка.

4 Теплота образования оксида железа (III) равна 821,3 кДж.

Сколько теплоты выделится при сжигании 1,4 г железной проволоки?

5 Сколько теплоты выделится при сгорании 24 г графита с образованием СО₂?

6 При восстановлении 100 г оксида железа (III) алюминием выделяется 476 кДж теплоты. Определить тепловой эффект реакции.

7 Определить количество теплоты, которое выделится при сгорании 38 г сероуглерода (СS₂) с образованием СО_2(г) и SO_2(г).

8 Реакция протекает по уравнению:

Н_2(г) + СО_2(г) = СО_(г) + Н₂О_(ж).

Определить изменение стандартной энтальпии и энтропии данной реакции.

9 При восстановлении 12,7 г оксида меди (II) углем с образованием СО_(г) поглощается 8,24 кДж теплоты. Определить стандартную энтальпию образования СО.

10 При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота (II). Определить, сколько теплоты выделится в результате этой реакции, если получено 44,8 л NO (нормальные условия).

11 Стандартная энтальпия растворения NH₄NO₃ в воде равна 26,7 кДж. Определить, насколько градусов понизится температура при растворении 20 г NH₄NO₃ в 180 г Н₂О. Удельная теплоемкость раствора 3,76 Дж/г · К.

12 На основании значений стандартных энтропий и энтальпий

образования веществ определить возможность самопроизвольного протекания реакции при стандартных условиях:

Fe₂O_3(к) + 3 СО_(г) = 2 Fe_(к) + 3СО_2(г).

Ответ мотивировать расчетом Δ_г G ⁰ (298 К).

13 При растворении 8 г CuSO₄ в 192 г воды температура

повысилась на 3,95 °С. Определить стандартную энтальпию образования CuSO₄ · 5 Н₂О из безводной соли и воды, если стандартная энтальпия растворения кристаллогидрата составляет 11,7 кДж, а удельная теплоемкость раствора 4,18 Дж / г · К.

14 При растворении 1 моль Н₂SO₄ в 800 г воды температура повысилась на 22,4 °С. Определить стандартную энтальпию растворения Н₂SO_4, если удельная теплоемкость раствора

3,76 Дж/г · К.

15 Определить, какие из перечисленных оксидов (ZnO, NiO, SnO₂) могут быть восстановлены алюминием при 293 К. Ответ мотивировать расчетом Δ_г G ⁰ (298 К).

16 Стандартная энтальпия растворения в воде Na₂SO₄ · 10 H₂O равна 78,6 кДж. Определить, на сколько градусов понизится температура при растворении 0,5 моль этой соли в 1000 г воды, удельная теплоемкость раствора 4,18 Дж/г · К.

17 Определите стандартную энтальпию образования гидроксида кальция исходя из следующих термохимических уравнений:

1) 2 Са_(к) + О_{2 (г)} = 2 СаО_(к), Δ r Н ⁰ (298 К,1) = − 1271,2 кДж;

2) 2 Н_2(г) + О_{2 (г)} = 2 Н₂О_(ж), Δ r Н ⁰ (298 К,2) = − 571,68 кДж;

3) СаО_(к) + Н₂О_(ж) = Са(ОН)_{2 (к)}, Δ r Н ⁰ (298 К,3) = −65,06 кДж.

18 При растворении в воде 10 г безводного СаСl выделяется

6,82 кДж теплоты, а при растворении в воде 10 г кристаллогидрата СаСl · 6Н₂О поглотилось 0,87 кДж теплоты. Определить стандартную энтальпию образования кристаллогидрата из безводной соли и воды.

19 Определить стандартную энтальпию образования этана, исходя из следующих термических уравнений:

1) С₂Н_{6 (г)} + 7/2О_{2 (г)} = 2 СО_2(г) + 3 Н₂О_(ж), Δ r Н ⁰ (298 К,1) = −1559 кДж;

2) С_(к) + О_2(г) = СО_2(г), Δ r Н ⁰ (298 К,2) = –393,51 кДж;

3) 2 Н_2(г) + О_2(г) = 2 Н₂О_(ж), Δ r Н ⁰ (298 К,3) = – 571,68 кДж.

20 Термохимическое уравнение реакции разложения карбоната кальция:

СаСО₃ = СаО + СО₂; Δ r Н ⁰ (298 К,3) = 157 кДж.

Какое количество теплоты расходуется на разложение 325 г СаСО₃?

21 Написать термохимическое уравнение реакции образования одного моля метана (СН₄) из оксида углерода СО₂ и водорода. Сколько теплоты выделится в результате этой реакции?

22 Газообразный этиловый спирт С₂Н₅ОН можно получить при взаимодействии этилена С₂Н₄(г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислите тепловой эффект.

23 Вычислите, какое количество теплоты выделится при

восстановлении Fe₂O₃ металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа?

24 При образовании газообразных сероводородов и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод СS₂ (г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: