Стандартная энтальпия образования nh3 выражается термохимическим уравнением

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).

Правильный расчет теплового эффекта реакций и теплот образования веществ

Тепловой эффект реакции

Задание 95.
Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением:
С₆Н₆(ж) + 15/2О_2(г) = 6СО_2(г) + 3Н₂О_(г); =?
Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что молярная теплота парообразования бензола равна +33,9 кДж. Ответ: —3135,58 кДж.
Решение:
∆H°С₆Н₆(парообр.) = +33,9 кДж/моль;
∆H°С₆Н₆(г) = +82,9 кДж/моль;
∆H°Н₂О = -241,98 кДж/моль;
∆H°СО₂ = -393,51 кДж/моль;
(С₆Н₆(ж) → (С₆Н₆(г); ∆H = +33,9 кДж;
ΔН = ?
Зная мольную теплоту парообразования и мольную теплоту образования газообразного бензола, рассчитаем мольную теплоту образования жидкого бензола из соотношения:

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:

Ответ: ΔН = -3136 кДж.

Задание 96.
Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моля этана С₂Н₆(г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м 3 этана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 63742,86 кДж.
Решение:
Уравнение реакции горения этана имеет вид:

С₂Н_{6 (г)} + 31/2O₂ = 2СО_2(г) + 3Н₂О _(ж); = ?

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:

Рассчитаем теплоту, выделяющуюся при сжигании 1м 3 этана из пропорции:

Ответ: . Q = 69637,05 кДж.

Теплота образования вещества

Задание 97.
Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:
4NH_3(г) + 3O_{2 (г)} = 2N_2(г) + 6Н₂O_(ж); = —1530,28 кДж. Вычислите теплоту образования NH3 (г).
Ответ: —46,19 кДж/моль.
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 дав-лении 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, О₂, Н₂ и др.
Термохимическое уравнение реакции имеет вид:

4NH_3(г) + 3O_{2 (г)} = 2N_2(г) + 6Н₂O_(ж); = —1530,28 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(6Н₂O_(ж)) – 4 (NH_3(г))

Отсюда вычислим теплоту образования NH₃:

4 (NH_3(г)) = 6(6Н₂O_(ж)) – ;
4 (NH_3(г)) = [(-285,84) – (–1530,28кДж);
4(NH_3(г)) = –184,76кДж;
(NH3(г)) = –184,7/4 = —46,19 кДж/моль.

Ответ: –46,19 кДж/моль.

Задание 98.
При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа ЕеS. Ответ: —100,26 кДж/моль.
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

Ответ: —100,26 кДж/моль.

Задание 99.
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 С₂Н_2(г). Ответ. 226,75 кДж/моль.
Решение:
Уравнение реакции горения ацетилена имеет вид:

Рассчитаем теплоту, выделяющуюся при сжигании 1моль ацетилена из пропорции:

Термохимическое уравнение реакции горения ацетилена будет иметь вид:

Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствии е из закона Гесса:

= 6(СО₂) + 3(Н₂О) – (С₆Н₆)

Отсюда вычислим теплоту образования С₂Н₂:

(С₂Н₂) = [2(СО₂) + (Н₂О)] — ;
(С₂Н₆₎ = [2 -393,51) + (-241,83)] – (–1255,587) = 226,75кДж.

Ответ: 226,75 кДж/моль.

Задание 100.
При получении молярной массы эквивалента гидроксида кальция из СаО(к) и Н₂О(ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите теплоту образования оксида кальция. Ответ: –635,6 кДж.
Решение:
Так как молярная масса эквивалента гидроксида кальция равна 1/2M(Са(ОН)₂), то при по-лучении 1моль его выделится 65,06 кДж теплоты (2 . 32,53 = 65,06).
Термохимическое уравнение получения гидроксида кальция из СаО(к) и Н₂О(ж) будет иметь вид:

СаО(к) + Н₂О(ж) = Са(ОН)₂(к); = 65,06 кДж.

Тепловой эффект реакции можно вычислить, используя следствии е из закона Гесса:

= (Са(ОН)_2(к)) –[(СаО_(к)) + (Н₂О_(ж))].

Отсюда вычислим теплоту образования С₂Н₂:

( СаО_(к)) = [(Са(ОН)_2(к)) + (Н₂О_(ж))] — ;
( СаО_(к)) = [-986,6) — (-285,84) — (65,06)] – = –635,6 кДж.

I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К практическим занятиям

по дисциплине «Общая и неорганическая химия»

Тема: «Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье».

«Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье».

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К практическим занятиям

по дисциплине «Общая и неорганическая химия»

Ответственный редактор Гуляева Т.Г.

Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Физика» Горин С.В.

к.б.н., доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды»

Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Методическое пособие содержит сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направления и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД №01734 от 11 мая 2000г.

Термохимические расчеты. Закон Гесса. Химическое равновесие. Правило Ле-Шателье.

Методическое пособие предназначено для студентов 1 курса, специальность 330200 «Инженерная защита окружающей среды».

Методическое пособие содержит общие сведения об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, направление и пределы их самопроизвольного протекания. Рассмотрены основы термохимии, направленность химических реакций и химическое равновесие.

I. Термохимические расчеты. Закон Гесса.

Наука о взаимных превращениях различных видов энергии называется термодинамикой. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты называются экзотермическими, а те которые сопровождаются поглощением теплоты – эндотермическими.

Изменения энергии системы, при протекании в ней химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения, называется тепловым эффектом химической реакции.

где, V – объем системы , U – внутренняя энергия, называется энтальпией системы.

Энтальпия – функция состояния системы. При постоянном давлении тепловой эффект реакции равен изменению энтальпией реакции ΔH.

При экзотермической реакции ΔH 0) – энтальпия системы уменьшается.

При эндотермических реакциях ΔH>0 (Q_p 0 _298. Тепловой эффект зависит от температуры, поэтому в индексе указывается температура (298 К_).

Уравнение процессов, в которых указаны тепловые эффекты, называются термохимическими

Чтобы энтальпию отнести к одному молю какого-либо вещества, термохимические уравнения имеют дробные коэффициенты.

В термохимических уравнениях записываются также агрегатные состояния веществ: Г-газовое, Ж-жидкое, Т-твердое, К-кристаллическое.

Энтальпия (теплота) образования – тепловой эффект образования 1 моля сложного вещества из простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа. Обозначают ΔH 0 _обр или ΔH 0 _f.

Закон Гесса – тепловой эффект реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий.

В термохимических расчетах применяют следствие из Закона Гесса:

Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования (ΔH 0 _обр) продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнениях реакции

ΔНх.р. = ∑Δ Н _обр. прод . — ∑ΔН 0 _обр. исх. (2)

Значения стандартных энтальпий образования ΔН 0 ₂₉₈ даны в таблице (приложение №1).

Пример 1. Рассчитаем стандартную энтальпию образования пропана С₃Н₈, если тепловой эффект реакции его сгорания

Решение: В соответствии с уравнением (2)

Подставив значение ΔН 0 _х.р. и справочные данные, энтальпии простых веществ равны нулю ΔН 0 О₂ = 0

ΔН 0 С₃Н₈ = 3(-393,51) + 4(-241,82) – 5*0 – (2043,86) = -103,85 кДж/моль

Ответ: энтальпия образования пропана относится к экзотермическим процессам.

Пример 2.Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:

Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная энтальпия С₂Н₅ОН(ж) равна + 42,36 кДж и известны энтальпии образования С₂Н₅ОН (г); СО₂(г); Н₂О(ж) (см. табл.1).

Решение: для определения ∆Н реакции необходимо знать теплоту образования С₃Н₅ОН (ж). Последнюю находим из данных задачи:

ΔН С₂Н₅ОН (ж) = — 235,31 – 42,36 = — 277,67 кДж

Теперь вычисляем ΔН реакции, применяя следствие из закона Гесса:

ΔН_х.р. = 2 (-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж

Пример 3.Растворение моля безводной соды Na₂CO₃ в достаточно большом количестве воды сопровождается выделением 25,10 кДж теплоты, тогда как при растворении кристаллогидрата Na₂CO₃ * 10H₂O поглощается 66,94 кДж теплоты. Вычислить теплоту гидратации Na₂CO₃ (энтальпию образования кристаллогидрата).

Решение: составляем термохимические уравнения соответствующих реакций:

Теперь, вычитая уравнение Б) из уравнения А), получаем ответ:

т.е. при образовании Na₂CO₃ * 10H₂O выделяет 92,04 кДж теплоты.

Пример 4.Зная энтальпию образования воды и водяного пара (см. таб. 1), вычислить энтальпию испарения воды.

Решение: задача решается аналогично задачам в примерах 3 и 4:

Вычитая уравнение (Б) из уравнения (А) получаем ответ:

Н₂О(ж) = Н₂О(г); ΔН = — 241,83 + 285,84 = + 44,01 кДж,

т.е. для перевода воды в пар необходимо затратить 44,01 кДж тепла.

Пример 5.При образовании хлористого водорода по реакции

Выделяется 184,6 кДж тепла. Чему равна энтальпия образования HCl?

Решение: энтальпия образования относится к 1 моль, а по уравнению образуется 2 моль HCl.

ΔН 0 НCl = -184,6 / 2 = -92,3 кДж/моль

1/2Н₂ + 1/2Cl₂ = HCl; ΔН = -92,3 кДж/моль

Пример 6. Вычислить тепловой эффект горения аммиака.

Решение: на основании следствия из закона Гесса имеем

Так как энтальпии простых веществ равны 0 (ΔН 0 (N₂) = 0; ΔН 0 (0₂) = 0)

Получаем: ΔН = 3ΔН 0 (H₂О)(г) – 2ΔН 0 (NH₃)

По таблице находим значение стандартных энтальпий образования

ΔН 0 (NH₃) = -45,94 кДж

ΔН 0 (H₂О) = -241,84 кДж

ΔН = 3 (-241,84) – 2 (-45,94) = -633,4 кДж

Пример 7.Вычислить тепловой эффект реакции горения

А) 11,2 л ацетилена

Б) 52 кг ацетилена

1. Написать термохимическое уравнение горения ацетилена

2. Написать выражение для расчета стандартного теплового эффекта реакции, пользуясь следствием из закона Гесса

Подставим в это выражение табличные значения стандартных энтальпий образования веществ:

ΔН 0 _х.р. = 2(-393,5) + (-241,8) – 226,8 = -802,0 кДж

3. Из термохимического уравнения реакции видно, что количество тепла выделяется при сгорании 1 моль ацетилена (22,4 л или 26 г).

Количество тепла прямо пропорционально количеству участвующего в горении вещества. Следовательно можно составить пропорцию :

х = 52*10 3 *(-802) = — 1604 * 103 кДж