Термохимические уравнения реакций горения метана и пропана

Расчет количества теплоты, теплового эффекта реакции

Вычисление количества теплоты реакции

Задача 61.
Дано термохимическое уравнение: Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂ + 858 кДж. Израсходовано 15 г магния, какое количество теплоты выделится в результате реакци?
Решение:
m(Mg) = 15 г;
∆H° = 858 кДж;
Q = ?

Запишем данные задачи в уравнение реакции, получим:

15 г х кДж
Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂; ∆H°
24 г -852 кДж

Рассчитаем какое количество теплоты выделится в результате реакци из пропорции, получим:

24 г Mg ——— -858 кДж
15 г Mg ——— х кДж

х = (15 . 852)/24 = -536,25 кДж.

Ответ: Q = -536,25 кДж.

Вычисление теплоты сгорания топлива на примере метана

Задача 62.
Определить теплоту сгорания одного кубометра (н.у.) метана СН₄ и пропана C₃Н₈. Считать, что в продуктах сгорания вода находится в виде пара. Какой из этих двух газов выгоднее использовать в качестве балонного газообразного топлива?
Решение:
∆H°СН₄(г) = -74,85 кДж/моль;
∆H°С₃Н₈(г) = –103,85 кДж/моль;
∆H°СО₂(г) = -393,51 кДж/моль;
∆H°Н₂О(пар) = -241,81 кДж/моль.
Теплота сгорания вещества (Q) – это тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав этого вещества до образования высших оксидов (CO₂(г), H₂O(ж)).
Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (р = = 101,3 кПа; Т = 298 К), одному молю топлива, и называют стандартной теплотой сгорания
Q_298,сгор. (кДж/моль). Для углеводородов и спиртов продуктами сгорания являются СО₂(газ) и Н₂О(ж).

а) Уравнение реакции горения метана:

Расччитаем ∆H°х.р. химической реакции, используя следствие из закона Гесса, получим:

Определим теплоту сгорания одного кубометра (н.у.) метана СН₄, получим:

22,4 л : 802,28 кДж = 1000 л : х
х = (802,28 . 1000)/22,4 = 35816 кДж/м3 35,8 . 10^6 Дж/м 3 = 35,8 МДж/м 3 .
q(CH₄) = 35,8 МДж/м 3 .

б) Уравнение реакции горения пропана:

Расччитаем ∆H°х.р. химической реакции, используя следствие из закона Гесса, получим:

Определим теплоту сгорания одного кубометра (н.у.) пропана С₃Н₈, получим:

22,4 л : 2041,92 кДж = 1000 л : х
х = (2041,92 . 1000)/22,4 = 91157,14 кДж/м 3 = 91 . 10^6 Дж/м 3 = 91 МДж/м 3 .
q(C₃H₈) = 91 МДж/м 3 .

Так как теплота сгорания одного кубометра (н.у.) пропана С₃Н₈ больше чем метана СН₄, то выгоднее использовать в качестве балонного газообразного топлива пропан, поэтому в баллонах используется пропан-бутановая смесь.

Вычисление изменения энергии Гббса процесса

Задача 63.
Вычислить изменения энергии Гиббса в стандартных условиях и определить, какие реакции можно использовать для получения металлов из их оксидов:
а) Fe₂О₃(к) + 2Al(к) = 2Fe(к) + Al₂O₃(к)
б) 3СаО(к) + 2Al(к) = 3Са (к) + Al₂O₃(к)
в) Cr₂O₃(к) + 2Al(к) = 2Cr(к) + Al₂O₃(к)
г) Fe₂O₃(к) + 2Cr(к) = 2Fe(к) + Cr₂O₃(к)
Решение:
∆G°Fe₂O₃(к) = -740 кДж/моль;
∆G°СаО(к) = -471,93 кДж/моль;
∆G°Cr₂O₃(к) = -1059,0 кДж/моль;
∆G°Al₂O₃(к) = -1582,3 кДж/моль.
Для вычисления энергии Гиббса прямой реакции используются значения ∆G°₂₉₈ соответствующих веществ, приведённых в специальных таблицах. Зная, что ∆G°₂₉₈ есть функция состояния и, что ∆G°₂₉₈ для простых веществ, находящихся в устойчивом при стандартных условиях агрегатных состояниях, равны нулю.
Для рассчета ∆G°х.р. используем выражение согласно следствию из закона Гесса:

Находим ∆G°₂₉₈ для приведенных реакций:

Вычисление теплового эффекта реакции

Задача 64.
Дано термохимическое уравнение реакции:
Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂ + H₂O — Q
При взаимодействии карбоната натрия с раствором соляной кислоты выделяется 350 кДж тепла. Сколько для этого необходимо карбоната натрия?
Решение:
По таблице находим стандартные значения энтальпий образования веществ, получим:
М(Na₂CO₃) = 106 г/моль;
∆H°HСl(р-р) = -166,7 кДж/моль;
∆H°Na₂CO₃(к) = -1129,43 кДж/моль;
∆H°NaСl(кр) = -441,41 кДж/моль;
∆H°Н₂О(ж) = -285,83 кДж/моль;
Q = -350 кДж;
m(Na₂CO₃) = ?
1. Расччитаем ∆H°х.р. химической реакции, используя следствие из закона Гесса, получим:

2. Расччитаем массу необходимого карбоната натрия, получим:

Термохимическое уравнение реакции будет иметь вид:

Запишем данные задачи в уравнение, получим:

х г -39,13 кДж
Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂ + H₂O; ∆H°
106 г -350 кДж
Рассчитаем массу карбоната натрия, вступившего в реакцию с соляной кислотой из пропорции:

106 г—— (-39,13 кДж)
х г ——- (-350 кДж)
х = (106 . 350)/39,13 = 948 г.

Задача 65.
При взаимодействии 40 мл 2 М раствора HCl с таким же количеством 2 М раствора NaOH температура реакционной смеси увеличилась на 13,7 К. Вычислите тепловой эффект реакции, если удельная теплоемкость воды равна 4,18 Дж/(г·К).
Решение:
∆t = 13,7 К;
V(HCl) = V(NaOH) = 40 мл = 0,04 л;
C_М(HCl) = С_М(NaOH) = 2 М;
ср(Н₂О) = 4,18 Дж/(г·К);
∆H°Н2О(ж) = -285,83 кДж/моль;
∆H°ОН- = -229,94 кДж/моль
∆H°T = ?
Уравнение реакции имеет вид:

NaOH + HCl = NaCl + H2O (молярная форма);
Na + + OH — + H + + Cl — = Na+ + Cl — + H₂O (ионно-молекулярная форма);
OH — + H + = H₂O (сокращенная ионно-молекулярная форма).

Из молекулярного уравнения реакции следует, что исходные вещества и продукты реакции взаимодействуют в одинаковых эквивалентных отношениях, C_М(HCl) = С_М(NaOH).
1. Рассчитаем количество моль HCl и NaOH, получим:

C_Мисх.(HCl) = С_Мисх.(NaOH) = [V(HCl) . CМ(HCl)]/1000 = (40 . 2)/1000 = 0,08 моль.

2. Находим стандартный тепловой эффект реакции нейтрализации в виде изменения энтальпии по известным теплотам образования по формуле:

∆H°х.р. = ∑∆H°(прод.) — ∑∆H°(исходн.).
∆H° = ∆H°Н₂О(ж) — ∆H°ОН — = (-285,83) — (-229,94) = 55,89 кДж ≈ -55,9 кДж.
∆H° любой реакции нейтрализации равен 55,9 кДж/моль.

3. Рассчитаем ∆H°х.р. при концентрации 0,08 моль, получим:

∆H°х.р. = ∆H° . C_Мисх. = 55,9 кДж/моль . 0,08 = -4,472 кДж = -4472 Дж.

4. Вычислим тепловой эффект реакции нейтрализации гидроксида натри соляной кислотой при изменении температуры на 13,7 К по формуле:

∆H°Т = ∆H°х.р. + ∆ср . ∆t, где

∆H°Т — тепловой эффектр реакции при изменении температуры;
∆H°х.р. — тепловой эффект реакции при стандартных условиях;
∆ср — изменение удельной теплоемкости веществ в реакции;
∆t — изменение температуры реакции.

∆H°Т = ∆H°х.р. + ∆ср . ∆t = -4472 Дж + (4,18 . 13,7 К) = -4414,734 Дж = -4,414734 кДж ≈ -4,415 кДж.

Ответ: ∆H°Т ≈ -4,415 кДж.

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.

Горение метана

Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой CH4. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода. Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды. В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу газовой турбины (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с водяным паром (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.