Стандартная энтальпия образования углекислого газа выражается термохимическим уравнением

ЗАКОН ГЕССА И ЕГО СЛЕДСТВИЯ: РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Закон Гесса (1840 г.) представляет собой частный случай закона сохранения энергии. Он позволяет определить тепловой эффект химического взаимодействия, используя данные о состояниях веществ только в начале и в конце процесса. Для этого применяется так называемая формула закона Гесса, оформленная в виде формулировки следствия из него.

Итак, что же из себя представляет закон, о котором идет речь? Как, пользуясь им, можно проводить вычисления?

Экзотермические и эндотермические реакции

Основной категорией химического процесса, с которой закон Гесса имеет дело, является тепловой эффект – главный объект термохимии.

Тепловым эффектом Q считают теплоту, либо подающуюся в систему, либо выделяющуюся из нее в ходе химического взаимодействия.

Так, если теплота подается в систему (то есть поглощается из внешней среды), то процесс является эндотермическим. Если теплота, наоборот, уходит из системы в окружающую среду, то процесс является экзотермическим.

Каждая реакция отображается с помощью уравнения. Если в уравнении указан тепловой эффект химического процесса, то такое уравнение называется термохимическим. В нем обязательно записываются либо агрегатные состояния веществ, определяющие общее состояние системы, либо их аллотропные модификации (в случае простых веществ).

Обозначения агрегатных состояний записываются нижним индексом в скобках рядом с химической формулой вещества.

Например, для экзотермического процесса:

И для эндотермического процесса:

Состояния:

— (тв.) – твердое, или (к.) – кристаллическое;

Тепловой эффект Q реакции и изменение энтальпии ΔН имеют одинаковые численные значения, а по знаку противоположны:

В связи с этим приведенные выше уравнения можно записать так:

Закон Гесса как основной закон термохимии и примеры расчетов с его использованием

Закон Гесса констатирует:Рассмотрим классический пример.

При экзотермическом взаимодействии углерода (графита) и кислорода образуется углекислый газ. У этого процесса есть два возможных пути: напрямую или через промежуточную стадию, идущую с образованием угарного газа (оксида углерода (II)):

При прямом процессе, идущем непосредственно с образованием углекислого газа, выделяется 393,5 кДж энергии:

Если процесс взаимодействия графита с кислородом идет в две стадии, то каждая из них также сопровождается выделением энергии:

Просуммируем эти два уравнения:

Получаем то же, что и в первом случае (то есть при прямом взаимодействии графита с кислородом): выделяется 393,5 кДж энергии.

Таким образом, результат реакции совершенно не зависит как от пройденного пути, так и от количества промежуточных стадий. Важными оказываются состояния веществ: начальное и конечное.

Прежде, чем рассмотреть примеры расчетов, в которых используется формула закона Гесса, необходимо сделать некоторые уточнения:

1) результаты термохимических расчетов (и измерений) всегда относят к одному молю вещества, которое образуется в ходе реакции;

2) теплота образования – это количество теплоты, выделяющееся при реакции простых веществ с образованием 1 моля продукта;

3) теплоты образования простых веществ принимают за ноль;

4) если прямой процесс является экзотермическим, то обратный будет эндотермическим, и наоборот.

Пример 1.

Запишем термохимические уравнения реакций, о которых идет речь:

Представим уравнение (2) так, чтобы СО стал конечным продуктом реакции, а не исходным веществом. Для этого запишем уравнение в обратном виде. Теплота сгорания по знаку в таком случае станет противоположной:

Для получения ответа на вопрос задачи (по закону Гесса) просуммируем уравнения (1) и (2):

Таким образом, при сгорании углерода с образованием угарного газа выделяется 110,5 кДж энергии.

Пример 2.

В реакции, для которой требуется вычислить теплоту:

• участвуют 1 молекула этилена и 6 молекул фтора;
• образуются 2 молекулы тетрафторуглерода и 4 молекулы фтороводорода.

— в первой из данных по условию реакций все коэффициенты и теплоту реакции умножим на 2, чтобы получить 4 молекулы фтороводорода;

— во второй реакции также все коэффициенты и теплоту реакции умножим на 2, чтобы получить 2 молекулы тетрафторуглерода;

— уравнение третьей реакции запишем в обратном виде, чтобы этилен стал исходным веществом, а не продуктом реакции;

— изменим знак теплоты третьей реакции на противоположный, так как ее уравнение записываем в обратном виде.

Просуммируем все уравнения:

Таким образом, теплота реакции этилена с фтором ΔН= -2486,3 кДж.

Следствие из закона Гесса: вычисление энтальпии реакции

Чаще всего в вычислениях применяется не сам закон Гесса, а следствие из него. Оно позволяет вычислить как изменение энтальпии реакции, так и энтальпию образования любого из участников химического взаимодействия.

Следствие утверждает, что

В самом общем виде расчетная формула выглядит так:

А если учесть коэффициенты, то так:

Для вычислений обычно применяют стандартные энтальпии образования, так как именно в стандартных состояниях вещества наиболее устойчивы:

Стандартные теплоты (энтальпии) образования являются табличными величинами.

Задача 1. Используя данные таблицы стандартных термодинамических величин , вычислите изменение энтальпии для реакции:

Решение:

Задача 2.

Решение:

Задача 3. Решение:

Тепловой эффект в термодинамическом уравнении относят к 1 молю образующегося вещества. С учетом этого запишем уравнение реакции следующим образом:

Следовательно, для данной реакции термохимическое уравнение будет выглядеть так:

В дополнение ко всему сказанному отметим, что некоторые тепловые эффекты реакций, идущих при стандартном давлении, меняются с температурой. Однако эти изменения незначительны. Поэтому при выполнении термодинамических вычислений для нестандартных условий можно использовать стандартные величины теплот образования. Появится в итоге небольшая ошибка, что вполне допускается.

Таким образом, закон Гесса, а также следствие из него позволяют проводить расчеты, в основе которых лежат тепловые явления химических процессов.

Далее будут рассмотрены случаи, в которых используется формула закона Гесса для расчета таких термодинамических величин, как энтропия и энергия Гиббса.

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.