Как записать термохимическое уравнение реакции нейтрализации

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения.

Химические реакции протекают либо с выделением теплоты, либо с поглощением теплоты.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (теплота указывается со знаком «+»). Эндотермические реакции – с поглощением теплоты (теплота Q указывается со знаком «–»).

Тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы вследствие протекания химической реакции и превращения исходных веществ (реагентов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.

При протекании химических реакций наблюдаются некоторые закономерности, которые позволяют определить знак теплового эффекта химической реакции:

• Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.

Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:

• Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.

Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:

• Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты. Устойчивость можно примерно определить по активности и стабильности вещества при обычных условиях. Как правило, в быту нас окружают вещества сравнительно устойчивые.

Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды. Следовательно, реакция экзотермическая:

Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях).

Количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.

В термохимии используются термохимические уравнения . Это уравнение реакции с указанием количества теплоты, выделившейся в ней (на число моль вещества, равное коэффициентам в уравнении).

Например, рассмотрим термохимическое уравнение сгорания водорода:

Из термохимического уравнения видно, что 484 кДж теплоты выделяются при сгорании 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Также можно сказать, что при образовании 2 моль воды выделяется 484 кДж теплоты.

Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.

Например, при сгорании алюминия:

теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль. Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:

теплота образования Al₂O₃ все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохъимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.

Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.

Например, при горении метана:

теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.

Разберемся, как решать задачи на термохимические уравнения (задачи на термохимию) из ЕГЭ. Для этого разберем несколько примеров термохимических задач.

1. В результате реакции, термохимическое уравнение которой:

получено 98 л (н.у.) оксида азота (II). Определите количество теплоты, которое затратили при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых.).

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что на образование 2 моль оксида азота (II) потребуется 180 кДж теплоты. 2 моль оксида азота при н.у. занимают объем 44,8 л. Составляем простую пропорцию:

на получение 44,8 л оксида азота (II) затрачено 180 кДж теплоты,

на получение 98 л оксида азота затрачено х кДж теплоты.

Отсюда х= 180*98/44,8 = 393,75 кДж. Округляем ответ до целых, как требуется в условии: Q=394 кДж.

Ответ: потребуется 394 кДж теплоты.

2. В результате реакции, термохимическое уравнение которой

выделилось 1452 кДж теплоты. Вычислите массу образовавшейся при этом воды (в граммах). (Запишите число с точностью до целых.)

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что при образовании 2 моль воды выделится 484 кДж теплоты. Масса 2 моль воды равна 36 г. Составляем простую пропорцию:

при образовании 36 г воды выделится 484 кДж теплоты,

при образовании х г воды выделится 1452 кДж теплоты.

Отсюда х= 1452*36/484 = 108 г.

Ответ: образуется 108 г воды.

3. В результате реакции, термохимическое уравнение которой

израсходовано 80 г серы. Определите количество теплоты, которое выделится при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых).

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что при сгорании 1 моль серы выделится 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы равна 32 г. Составляем простую пропорцию:

при сгорании 32 г серы выделится 296 кДж теплоты,

при сгорании 80 г серы выделится х кДж теплоты.

Отсюда х= 80*296/32 = 740 кДж.

Ответ: выделится 740 кДж теплоты.

Опыт 1. Определение теплоты нейтрализации сильной кислоты сильным основанием и расчет энергии Гиббса реакции

Для измерения тепловых эффектов реакции используют калориметр (рис 1). В наружный сосуд (стакан на 0,8 л) вставляют калориметрический стакан меньшей вместимости (0,5 л). Калориметрический стакан закрывают деревянной крышкой с отверстиями для термометра (цена деления 0,1 К), мешалки и воронки. Мешалку присоединяют к электромотору или приводят в движение вручную.

Теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся в калориметре, вычисляют по формуле: q = ∑ с (Т₂ — Т₁),

где Т₂ и Т₁ – конечная и начальная температуры жидкости в калориметрическом стакане; ∑ с – теплоемкость системы, равная с₁m₁ + с₂m₂ (m₁ и m₂ — масса калориметрического стакана и жидкости в стакане; с₁ и с₂ – удельные теплоемкости стекла и жидкости).

Согласно теории электролитической диссоциации нейтрализация сильной кислоты сильным основанием в разбавленном растворе отвечает уравнению Н + + ОН — = Н₂О. Стандартная теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием равна при 298 К – 57 кДж на один моль образующейся воды. Термохимическое уравнение реакции нейтрализации имеет вид

Н + (ж) + ОН — (ж) = Н₂О (ж), ∆ Н 0 ₂₉₈ = -57 кДж/моль

В опыте используют 1М растворы КОН, NаОН, НСl, НNО₃. Для нейтрализации берут равные объемы (120 –180 мл) растворов кислоты и щелочи.

Получив задание, взвесьте сухой калориметрический стакан (с точностью до 0,1 г). Соберите калориметрическую установку по рисунку и через воронку 2 налейте в сосуд заданный объем 1 М раствора щелочи; запишите температуру раствора щелочи Т_щ с точностью до 0,1 К. Налейте в мерный цилиндр такой же объем 1 М раствора кислоты и измерьте температуру раствора Т_к с той же точностью. Начальная температура смеси кислоты и щелочи Т₁ – среднее арифметическое от Т_щ и Т_к. При работающей мешалке 1 через воронку 2 быстро влейте кислоту в каориметрический стакан и отметьте самую высокую температуру Т₂, которую покажет термометр 6 после сливания растворов. Данные опыта сведите в таблицу:

По полученным данным определите:

2. Массу жидкости (m₂) в калориметрическом стакане (при расчете считать плотность жидкости равной единице).

3. Теплоемкость системы [при расчете считать удельную теплоемкость стекла с₁ = 0,75 . 10 3 Дж/(кг . К), а удельную теплоемкость раствора с₂ = 4,18 . 10 3 Дж/(кг . К)].

4. Количество теплоты (q), выделившейся при реакции.

5. Число молей нейтрализованной кислоты (щелочи) или число молей полученной воды (n H₂O), учитывая заданную молярную концентрацию и объем раствора.

6. Теплоту нейтрализации ∆H 0 _т (кДж/моль H₂O).

7. Изменение энтропии ∆S 0 _т [Дж/(моль . К)].

8. Энергию Гиббса реакции нейтрализации ∆G = ∆H 0 _т — T∆S 0 _т (кДж/моль).

Запишите термохимическое уравнение проведенной реакции нейтрализации. Объясните убыль (а не прирост) энтропии в процессе нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Сделайте вывод о соответствии найденной вами величины ∆G 0 _т самопроизвольному течению реакции нейтрализации.

Вопросы и задания

1. Дайте определение энтальпии (H), энтропии (S), потенциала Гиббса (G) и их стандартных величин.
2. Напишите уравнения, связывающие следующие величины: ΔG и T, ΔH и ΔS; ΔG и K равновесия; ΔG ° и E ° .
3. Что характеризуют равенство ΔG ° = 0 и неравенство ΔG ° ° > 0?
4. При каких условиях энтальпийный фактор определяет самопроизвольное протекание химического процесса?
5. При каких условиях энтропийный фактор определяет самопроизвольное протекание химического процесса?

Задачи и упражнения для СРС

Н.Л.Глинка Задачи и упражнения по общей химии. 303-324 задачи и вопросы. Стр.86-89.

Лабораторная работа № 10

Тема:Основные закономерности протекания химических реакций.

Цель занятия: Получить и исследовать свойства наиболее распространенных простых веществ и соединений.

План занятия: 1. Повторить основные вопросы химической кинетики.

2. По заданию преподавателя провести лабораторный эксперимент.

Материалы и оборудование: штатив с пробирками, термометр, метный цилиндр, пипетки, дист. вода, растворы: серной кислоты, тиосульфата натрия, иодида калия, перекиси водорода, крахмала.

Глоссарий

Химическая кинетика или кинетика химических реакций— раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.

Скорость химической реакции— изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения. Расчеты теплового эффекта реакции.

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты.

По признаку выделения или поглощения теплоты различают экзотермические и эндотермические реакции.

Экзотермические реакции – такие реакции, в ходе которых тепло выделяется (+Q).

Эндотермические реакции – реакции, при протекании которых тепло поглощается (-Q).

Тепловым эффектом реакции (Q) называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается при взаимодействии определенного количества исходных реагентов.

Термохимическим уравнением называют уравнение, в котором указан тепловой эффект химической реакции. Так, например, термохимическими являются уравнения:

Также следует отметить, что термохимические уравнения в обязательном порядке должны включать информацию об агрегатных состояниях реагентов и продуктов, поскольку от этого зависит значение теплового эффекта.

Расчеты теплового эффекта реакции

Пример типовой задачи на нахождение теплового эффекта реакции:

При взаимодействии 45 г глюкозы с избытком кислорода в соответствии с уравнением

выделилось 700 кДж теплоты. Определите тепловой эффект реакции. (Запишите число с точностью до целых.)

Решение:

Рассчитаем количество вещества глюкозы:

Т.е. при взаимодействии 0,25 моль глюкозы с кислородом выделяется 700 кДж теплоты. Из представленного в условии термохимического уравнения следует, что при взаимодействии 1 моль глюкозы с кислородом образуется количество теплоты, равное Q (тепловой эффект реакции). Тогда верна следующая пропорция:

0,25 моль глюкозы — 700 кДж

1 моль глюкозы — Q

Из этой пропорции следует соответствующее ей уравнение:

Решая которое, находим, что:

Таким образом, тепловой эффект реакции составляет 2800 кДж.

Расчёты по термохимическим уравнениям

Намного чаще в заданиях ЕГЭ по термохимии значение теплового эффекта уже известно, т.к. в условии дается полное термохимическое уравнение.

Рассчитать в таком случае требуется либо количество теплоты, выделяющееся/поглощающееся при известном количестве реагента или продукта, либо же, наоборот, по известному значению теплоты требуется определить массу, объем или количество вещества какого-либо фигуранта реакции.

Пример 1

В соответствии с термохимическим уравнением реакции

образовалось 68 г оксида алюминия. Какое количество теплоты при этом выделилось? (Запишите число с точностью до целых.)

Решение

Рассчитаем количество вещества оксида алюминия:

В соответствии с термохимическим уравнением реакции при образовании 4 моль оксида алюминия выделяется 3330 кДж. В нашем же случае образуется 0,6667 моль оксида алюминия. Обозначив количество теплоты, выделившейся при этом, через x кДж составим пропорцию:

Данной пропорции соответствует уравнение:

4 / 0,667 = 3330 / x

Решая которое, находим, что x = 555 кДж

Т.е. при образовании 68 г оксида алюминия в соответствии с термохимическим уравнением в условии выделяется 555 кДж теплоты.

Пример 2

В результате реакции, термохимическое уравнение которой

выделилось 1655 кДж теплоты. Определите объем (л) выделившегося диоксида серы (н.у.). (Запишите число с точностью до целых.)

Решение

В соответствии с термохимическим уравнением реакции при образовании 8 моль SO₂ выделяется 3310 кДж теплоты. В нашем же случае выделилось 1655 кДж теплоты. Пусть количество вещества SO₂, образовавшегося при этом, равняется x моль. Тогда справедливой является следующая пропорция:

8 моль SO₂ — 3310 кДж

x моль SO₂ — 1655 кДж

Из которой следует уравнение:

8 / х = 3310 / 1655

Решая которое, находим, что:

Таким образом, количество вещества SO₂, образовавшееся при этом, составляет 4 моль. Следовательно, его объем равен:

V(SO₂) = V_m ∙ n(SO₂) = 22,4 л/моль ∙ 4 моль = 89,6 л ≈ 90 л (округляем до целых, т.к. это требуется в условии.)

Больше разобранных задач на тепловой эффект химической реакции можно найти здесь.