Рассчитать теплоту образования пропана по термохимическому уравнению

Энергетика химических процессов. Закон Гесса

Материалы портала onx.distant.ru

Тепловой эффект процесса

Количество выделенной (или поглощенной) теплоты Q в данном процессе называют тепловым эффектом процесса. Экзотермической является реакция, протекающая с выделением теплоты, а эндотермической – с поглощением теплоты из окружающей среды.

Для лабораторных и промышленных процессов наиболее типичен изобарный режим (Р=const). Поэтому обычно рассматривают тепловой эффект при Р,Т = const, т.е. изменение энтальпии процесса ΔН.

Следует отметить, что абсолютные значения энтальпии Н определить не представляется возможным, так как не известна абсолютная величина внутренней энергии.

Для экзотермической реакции (Q > 0) ΔН 0.

Термохимические уравнения

Химические уравнения, в которых дополнительно указывается величина изменения энтальпии реакции, а также агрегатное состояние веществ и температура, называются термохимическими уравнениями.

В термохимических уравнениях отмечают фазовое состояние и аллотропные модификации реагентов и образующихся веществ: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое; S_(ромб), S_{(монокл)}, С_{(графит)}, С_(алмаз) и т.д.

Важно подчеркнуть, что с термохимическими уравнениями можно проводить алгебраические операции сложения, вычитания, деления, умножения.

Закон Гесса

Изменение энтальпии (внутренней энергии) химической реакции зависит от вида, состояния и количества исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути процесса.

Следствия из закона Гесса

1. Изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов).
2. Изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов реакции (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов).

Стандартные термодинамические величины

Стандартные термодинамические величины – это такие величины, которые относятся к процессам, все ингредиенты которых находятся в стандартных состояниях.

Стандартным состоянием вещества, находящегося в конденсированной фазе (кристаллической или жидкой), является реальное состояние вещества, находящегося при данной температуре и давлении 1 атм.

Следует подчеркнуть, что стандартное состояние может иметь место при любой температуре.

Обычно тепловой эффект (изменение энтальпии) реакции приводится для температуры 25 о С (298,15 К) и давления 101,325 кПа (1 атм), т.е. указывается стандартная энтальпия ΔН о ₂₉₈.

Стандартные энтальпии образования и сгорания

Стандартная энтальпия образования ΔН о _f,298 (или ΔН о _обр,298) – это изменение энтальпии в процессе образования данного вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии, причем простые вещества присутствуют в наиболее термодинамически устойчивых состояниях при данной температуре.

Например , ΔН o _f,298(Н₂О(ж)) = — 285,83 кДж/моль соответствует изменению энтальпии в процессе

при Т = 298,15 К и Р = 1 атм.

Стандартная энтальпия образования простых веществ равна нулю по определению (для наиболее устойчивых их модификаций при данной температуре).

Стандартной энтальпией сгорания ΔН o _сгор,298 называют энтальпию сгорания вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии с образованием СО_2(г), Н₂О_(ж) и других веществ, состав которых должен быть специально указан. Все продукты сгорания также должны находиться в стандартном состоянии.

Примеры решения задач

Задача 1. Используя справочные термодинамические данные вычислить ΔН o ₂₉₈ реакции:

Решение. Решим задачу, используя оба следствия из закона Гесса. Ниже для исходных веществ и продуктов реакции приведены значения энтальпий образования и сгорания в кДж/моль (энтальпия сгорания сероводорода до SO_2(г) и H₂O_(ж)):

Cогласно первому следствию закона Гесса энтальпия этой реакции ΔН о _х.р. равна:

В соответствии со вторым следствием закона Гесса получаем:

ΔН о _х.р.,298 = 2ΔН о _сгор,298(H₂S(г)) = 2(-562,10) = — 1124,20 кДж.

Задача 2. Вычислите ΔН о ₂₉₈ реакции N₂(г) + 3H₂(г) = 2NH₃(г), используя следующие данные:

Определите стандартную энтальпию образования NH₃(г).

Решение. Поскольку с термохимическими уравнениями можно производить все алгебраические действия, то искомое уравнение получится, если:

• • • разделить на два тепловой эффект первого уравнения и изменить его знак на противоположный, т.е:

• • • умножить на 3/2 второе уравнение и соответствующую ему величину δН o , изменив ее знак на противоположный:

Таким образом, тепловой эффект реакции N_2(г) + 3H_2(г) = 2NH_3(г) равен:

Δ Н о ₂₉₈ = (- ΔН о ₁/2) + (- 3/2·ΔН о ₂) = 765,61 + (- 857,49) = — 91,88 кДж.

Поскольку в рассматриваемой реакции образуется 2 моль NH_3(г), то

ΔН о _f,298(NH_3(г)) = — 91,88/2 = — 45,94 кДж/моль.

Задача 3. Определите энтальпию процесса

если при 298,15 К энтальпия растворения CuSO_4(к) в n моль Н₂О с образованием раствора CuSO₄(р-р, nH₂O) равна –40, а энтальпия растворения CuSO₄·5H₂O_(к) с образованием раствора той же концентрации равна +10,5 кДж/моль.

Решение. Составляем цикл Гесса:

ΔН о ₁ = ΔН о ₂ + ΔН о _х (по закону Гесса). Отсюда получаем:

ΔН о _х = ΔН о ₁ – ΔН о ₂ = – 40,0 – 10,5 = -50,5 кДж.

Другой вариант решения.

По закону Гесса: ΔН о ₁ = ΔН о _х+ ΔН о ₃, т.е. при сложении уравнений (2) и (3) получим уравнение (1).

Задача 4. Вычислите энтальпию образования химической связи С= С в молекуле этилена, если его стандартная энтальпия образования равна 52,3 кДж/моль, энтальпия возгонки графита составляет 716,7 кДж/моль, энтальпия атомизации водорода равна +436,0 кДж/моль, энтальпия образования связи С–Н равна –414,0 кДж/моль.

Решение. Составляем цикл Гесса:

ΔН о _{(С = С)} = 52,3 — 2·716,7 — 2·436,0 + 4·414,0 = — 597,1 кДж/моль.

Задачи для самостоятельного решения

1. Составьте уравнение реакции, для которой ΔН о соответствует стандартной энтальпии образования ВaCl₂·2H₂O_(к).

Составление термохимического уравнения реакции и вычисление теплот образования веществ

Теплота образования веществ

Задание 88.
Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования метана? Вычислите теплоту образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:
а) Н_{2 (г)} + 1/2О_{2 (г)} = Н₂О _(ж); = -285,84 кДж;
б) С _(к) + О_{2 (г}) = СО_{2 (г)}; = -393,51 кДж;
в) СН_{4 (г)} + 2О_{2 (г)} = 2Н₂О _(ж) + СО_{2 (г)}; = -890,31 кДж.
Ответ: -74,88 кДж.
Решение:
Стандартная теплота образования равна теплоте реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ при стандартных условиях (Т = 298 К; р = 1,0325 . 105 Па). Образование метана из водорода и углерода можно представить так:

С _{(графит)} + 2Н_{2 (г)} = СН_{4 (г)}; = ?

Исходя из данных уравнений по условию задачи, учитывая, что водород сгорает до воды, углерод — до углекислого газа, метан – до углекислого газа и воды и, на основании закона Гесса, с термохимическими уравнениями можно оперировать также как и с алгебраическими. Для получения искомого результата нужно уравнение горения водорода (а) умножить на 2, а затем, сумму уравнений горения водорода (а) и углерода (б) вычесть из уравнения горения метана (в):

СН_{4 (г)} + 2О_{2 (г)} — 2 Н_{2 (г)} + О_{2 (г)} — С _(к) + О_{2 (г}) =
= 2Н₂О _(ж) + СО₂ — 2Н₂О — СО₂;
= -890,31 – [-393,51 + 2(-285,84).

СН_{4 (г)} = С _(к) + 2Н_{2 (к)}; = +74,88 кДж.2

Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то

(СН₄) = -74,88 кДж.

Ответ: -74,88 кДж.

Задание 89.
Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования гидроксида кальция? Вычислите теплоту образования гидроксида кальция, исходя из следующих термохимических уравнений:
Са _(к) + 1/2О _(г) = СаО _(к); = -635,60 кДж;
Н_{2 (г)} + 1/2О_{2 (г)} = Н₂О _(ж); = -285,84 кДж;
СаО _(к) + Н₂О _(ж) = Са(ОН)_{2 (к)}; = -65,06 кДж.
Ответ: —986,50 кДж.
Решение:
Стандартная теплота образования равна теплоте реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ при стандартных условиях (Т = 298 К; р = 1,0325 . 105 Па). Образование гидроксида кальция из простых веществ можно представить так:

Са _(к) + О_{2 (г)} + Н_{2 (г)} = Са(ОН)_{2 (к)}; = ?

Исходя из уравнений, которые даны по условию задачи и, учитывая, что водород сгорает до воды, а кальций, реагируя с кислородом, образует СаО, то на основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать также как с алгебраическими. Для получения искомого результата нужно все три уравнения сложить между собой:

СаО _(к) + Н₂О _(ж) + Са _(к) + 1/2О _(г) + Н_{2 (г)} + 1/2О_{2 (г} = (ОН)_{2 (к)} + СаО _(к) + Н₂О _(ж);
= -65,06 + (-635,60) + (-285,84) = -986,50 кДж.

Так как стандартные теплоты образования простых веществ условно принята равными нулю, то теплота образования гидроксида кальция будет равна тепловому эффекту реакции образования его из простых веществ (кальция, водорода и кислорода):

== (Са(ОН)₂ = -986,50 кДж.2

Ответ: -986,50 кДж.

Задание 90.
Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензина с образованием паров воды и диоксида углерода равен -3135,58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования С₆Н₆ (ж). Ответ: +49,03 кДж.
Решение:
Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указываются их агрегатные состояния или кристаллическая модификация, а также числовое значение тепловых эффектов, называют термохимическими. В термохимических уравнениях, если это специально не оговорено, указываются значения тепловых эффектов при постоянном давлении Qp равные изменению энтальпии системы . Значение приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой или точкой c запятой. Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния вещества: _г — газообразное, _ж — жидкое, _к —- кристаллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно, например, О₂, Н₂ и др.
Термохимическое уравнение реакции имеет вид:

С₆Н₆ (ж) + 7/2O₂ = 6CO_{2 (г)} + 3Н₂О _(г); = -3135,58 кДж.

Значения стандартных теплот образования веществ приведены в специальных таблицах. Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю. Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствии е из закона Гесса:

= 6 (СО₂) + 3 =0(Н₂О) – (С₆Н₆)

(С₆Н₆) = [6 (СО₂) + 3(Н₂О)] — ;
(С₆Н₆) = [6 -393,51 + 3(-241,83)] — (-3135,58) = +49,03 кДж.

Ответ: +49,03 кДж.

Теплота образования

Задание 91.
Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л (н.у.) ацетилена С₂Н₂, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды? Ответ: 924,88 кДж.
Решение:
Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указываются их агрегатные состояния или кристаллическая модификация, а также числовое значение тепловых эффектов, называют термохимическими. В термохимических уравнениях, если это специально не оговорено, указываются значения тепловых эффектов при постоянном давлении Qp равные изменению энтальпии системы . Значение приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой или точкой c запятой. Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния вещества: г — газообразное, ж — жид-кое, к —- кристаллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно, например, О_2, Н₂ и др.
Уравнение реакции имеет вид:

С₂Н_{2 (г)} + 5/2O_{2 (г)} = 2CO_{2 (г)} + Н₂О _(г); = ?

Значения стандартных теплот образования веществ приведены в специальных таблицах. Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю. Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствие из закона Гесса:

= 2(СО₂) + (Н₂О) – (С₂Н₂);
= 2(-393,51) + (-241,83) – (+226,75) = -802,1 кДж.

Термохимическое уравнение будет иметь вид:

Теплоту, выделившуюся при сгорании 165 л ацетилена по этой реакции, определим из пропорции:

22,4 : -802,1 = 165 : х; х = 165 (-802,1)/22,4 = -5908,35 кДж; Q = 5908,35 кДж.

Ответ: 5908,35 кДж.

Задание 92.
При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота. Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 44,8 л NO в пересчете на нормальные условия? Ответ: 452,37 кДж.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

Значения стандартных теплот образования веществ приведены в специальных таблицах. Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю. Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствие из закона Гесса:

= (NO) + 3/2 (Н₂О) – (NH₃);
= +90,37 +3/2 (-241,83) – (-46,19) = -226,185 кДж.

Термохимическое уравнение будет иметь вид:

Теплоту, выделившуюся при сгорании 44,8 л аммиака, вычислим из пропорции:

22,4 : -226,185 = 44,8 : х; х = 44,8 (-226,185)/22,4 = -452,37 кДж; Q = 452,37 кДж.

Ответ: 452,37 кДж

Тепловой эффект реакции

Задание 93.
Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением:
СН₃ОН _(ж) +3/2О_{2 (г)} = СО_{2 (г)} + 2Н₂О _(ж); =?
Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что молярная теплота парообразования СН₃ОН _(ж) равна +37,4 кДж. Ответ: -726,62 кДж.
Решение:

(СН₃ОН _(ж)) = (СН₃ОН _(г)); = +37,4 кДж;
+37,4 кДж = -201,17 — _{(СН3ОН (ж)});
_{(СН3ОН (ж))} = -201,17 +(- 37,4) = -238,57кДж.

Значения стандартных теплот образования веществ приведены в специальных таблицах. Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю. Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствие из закона Гесса:

= 2(Н₂O) + (СО₂) – ( СН₃ОН (ж));
= -393,51 +2 (-285,84) – (-238,57) = -726,62 кДж.

Ответ: -726,62 кДж.

Термохимическое уравнение реакции

Задание 94.
При сгорании 11,5 г жидкого этилового спирта выделилось 308,71 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования С₂Н₅ОН_(ж). Ответ: —277,67 кДж.
Решение:
Мольная масса С₂Н₅ОН равна 46,0г/моль.
Находим тепловой эффект реакции горения этилового спирта из пропорции:

Следовательно, термохимическое уравнение реакции будет иметь вид:

С₂Н₅ОН _(ж) +3О_{2 (г)} = 2СО_{2 (г)} + 3Н₂О _(г); = 1234,84кЛж. (1)

Обозначим искомую величину через х, запишем термохимическое уравнение образования С₂Н₅ОН из простых веществ:

Запишем также термохимические уравнения образования СО_2(г) и Н₂О_(ж):

Из уравнений (2), (3) и (4) можно получить уравнение (5). Для этого умножим уравнение (4) на три, уравнение (2) — на два, а затем из суммы уравнений (3) и (4) вычтем уравнение (2), получим:

Сравнивая уравнения (1) и (5), находим:

Ответ: ( С₂Н₅ОН ) = -278,12 кДж/моль.

Расчёты по термохимическим уравнениям

Теоретический материал представлен на страницах:

Любая химическая реакция сопровождается поглощением или выделением энергии. Термохимические уравнения показывают соотношение между кол-вом веществ, вступающих в реакцию, и кол-вом энергии, которую выделяют, либо поглощают эти вещества в процессе химической реакции.

Главное отличие термохимического уравнения от молекулярного заключается в том, что кроме формул и коэффициентов, в нем указывается еще и кол-во энергии (теплоты реакции), относящееся к числу молей реагирующих веществ, соответствующему коэффициентам в уравнении реакции.

Теплота реакции (тепловой эффект) обозначается буквой Q (измеряется в кДж), и записывается в конце уравнения. Знак «плюс» перед числом обозначает выделившееся кол-во энергии, знак «минус» — кол-во поглощенной энергии.

Реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотермическими; с поглощением энергии — эндотермическими.

Если известна масса одного из двух реагирующих веществ, на основе термохимического уравнения можно определить кол-во теплоты реакции.

Пример 1 . Определить теплоту реакции горения 320 г серы.

• Согласно уравнения реакции, при сгорании 1 моля серы выделяется 297 кДж энергии, нам надо узнать, сколько энергии выделится при сгорании 320 г серы.
• Для решения задачи необходимо составить и решить простую пропорцию:
• Переходим от молей к граммам:
• В пропорции заменяем моли на граммы:

Если известно кол-во выделенной (поглощенной) теплоты в ходе реакции, можно определить массы прореагировавших веществ.

Пример 2 . Определить кол-во сгоревшего угля, если в ходе горения было выделено 33520 кДж энергии.

• Согласно уравнения реакции, при сгорании 1 моль углерода (масса 1 моль С = 12 г) выделилсь 402,24 кДж энергии.
• Составляем и решаем пропорцию:

Пример 3 . При горении 1 л метана (н.у) выделяется 39 кДж энергии. Составить термохимическое уравнение реакции и вычислить тепловой эффект.

Пример 4 . При горении 2,4 г магния (н.у) выделяется 60,12 кДж энергии. Составить термохимическое уравнение реакции.

Пример 5 . Два моля аммиака образуются в результате взаимодействия 1 моля азота с тремя молями водорода. Необходимо составить уравнение термохимической реакции, в ходе которой выделяется 92 кДж тепла, а все вещества, участвующие в реакции, являются газами.

Это очень простая задача, решение которой указано в условии.

Второй вариант записи термохимического уравнения.

Пример 6 . Составить термохимическое уравнение эндотермической реакции образования двухвалентного оксида азота из азота и кислорода с поглощением 180 кДж энергии. Записать это уравнение для образования 1 моля NO.

Первая часть задания не вызывает трудностей:

В этом термохимическом уравнении 2 моля оксида азота образуется при взаимодействии 1 моля азота и 1 моля кислорода. Для того, чтобы переписать данное уравнение для 1 моля оксида азота, необходимо все коэффициенты и кол-во теплоты разделить на 2:

Пример 7 . При образовании 50 г карбоната кальция (CaCO3) выделилось 80 кДж энергии. Определить тепловой эффект реакции разложения одного моля карбоната кальция.

• Определяем кол-во энергии, выделяемое при образовании 1 моля CaCO₃ (М(CaCO₃)=100 г/моль):
• Термохимическое уравнение реакции образования 1 моль карбоната кальция имеет вид:
• Термохимическое уравнение реакции разложения 1 моль карбоната кальция имеет вид:
• Q=-160 кДж

Пример 8 . Рассчитать кол-во выделенной энергии при образовании 2 л аммиака при н.у.

• Согласно термохимического уравнения — 1 моль аммиака образовался из полумоля азота и полутора молей водорода. Составляем пропорцию:

Пример 9 . Рассчитать тепловой эффект реакции:

• На основании первого следствия из закона Гесса:
• Теплоты образования простых веществ равны нулю:
• Теплоты образования сложных веществ берем из таблицы:
• Подставляем числовые значения в уравнение:
• Термохимическое уравнение реакции будет иметь вид:

Пример 10 . Рассчитать тепловой эффект реакции:

• Тепловой эффект реакции будем рассчитывать по формуле, вытекающей из второго следствия закона Гесса:
• Тепловые эффекты сгорания C₂H₄ и C₂H₆ можно взять из приведенных выше термохимический уравнений.
• Тепловой эффект сгорания водорода можно вычислить из термохимического уравнения образования 1 моля воды (теплоту образования воды берем из таблицы):
• Подставляем численные значения в формулу:
• Термохимическое уравнение реакции будет иметь вид:

Пример 11 . Определить скорость изменения реакции синтеза аммиака при а) увеличении концентрации исходных веществ в 2 раза; б) уменьшении давления в реакционной смеси в 2 раза:

• Записываем кинетическое уравнение данной реакции:
• Если концентрации исходных веществ будут увеличены в 2 раза, кинетическое уравнение примет вид:
• Составляем отношение и решаем его:
• Увеличение концентрации исходных веществ в 2 раза приведет к ускорению скорости реакции в 16 раз.

• Исходя из того факта, что концентрации газов пропорциональны давлению (при уменьшении давления в 2 раза концентрации также уменьшатся в 2 раза), логично предположить, что при снижении в 2 раза давления скорость протекания реакции снизится в 16 раз. Убедимся в этом, составив соотношение кинетических уравнений.
• Исхдное кинетическое уравнение:
• Для удобства чтения формул сделаем подстановку:
• Кинетическое уравнение при снижении давления в 2 раза:
• Соотошение:
• При уменьшении давления в реакционной смеси в 2 раза скорость протекания реакции уменьшится в 16 раз.

Пример 12 . Определить скорость изменения реакции с температурным коэффициентом 4 (γ=4) при повышении температуры с 10°C до 30°C.

Для решения задачи воспользуемся правилом Вант-Гоффа, которое выражается следующей математической формулой:

Все, что нам нужно сделать — подставить численные значения в формулу и провести расчеты:

При повышении температуры с 10 до 30 градусов Цельсия скорость реакции увеличится в 16 раз.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе