Реферат Курсовая Конспект
Энергетика химических процессов - Контрольная Работа, раздел Образование, Методическое пособие для выполнения контрольной работы (Термохимические Расчеты) При Решении Задач Этого Р...
|
(термохимические расчеты)
При решении задач этого раздела см. таблицу 5.
Науку о взаимных превращениях различных видов энергии называют термодинамикой. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного течения различных процессов в данных условиях.
При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называют термохимией.
Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называют экзотермическими, а те, которые сопровождаются поглощением теплоты, - эндотермическими. Теплоты реакций являются, таким образом, мерой изменения свойств системы, и знание их может иметь большое значение при определении условий протекания тех или иных реакций.
При любом процессе соблюдается закон сохранения энергии как проявление более общего закона природы - закона сохранения материи. Теплота Q, поглощенная системой, идет на изменение внутренней энергии DU и на совершение работы A:
Q = DU + A
Внутренняя энергия системы U - это общий ее запас, включающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов, внутриядерную энергию и т.д.
Внутренняя энергия - полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве, и без кинетической энергии системы как целого.
Абсолютное значение внутренней энергии U веществ неизвестно, так как нельзя привести систему в состояние, лишенное энергии.
Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, являетсяфункцией состояния, т.е. ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода, по которому протекает процесс DU = U2 – U1, где DU -изменение внутренней энергии системы при переходе от начального состояния U1 в конечное U2. Если U2 > U1, то DU > 0.
Теплота и работа функциями состояния не являются, ибо они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. При химических реакциях A - это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении A = pDV, где DV - изменение объема системы (V2 – V1). Так как большинство химических реакций проходит при постоянном давлении, то для изобарно-изотермического процесса теплота:
QP = DU + pDV,
QP = (U2-U1) + p (V2-V1),
QP = (U2 + pV2) - (U1 + pV1).
Сумму U + pV обозначим через H, тогда:
QP = H2 – H1 = DH
Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при р = const и T = const приобретает свойство функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в изобарно-изотермическом процессе QP равна изменению энтальпии системы DH (если единственным видом работы является работа расширения):
QP = DH
Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния; ее изменение (DH) определяется только начальными и конечными состояниями системы и не зависит от пути перехода. Нетрудно видеть, что теплота реакции в изохорно-изотермическом процессе (V = const; T = const), при котором DV = 0, равна изменению внутренней энергии системы:
QV = DU
Теплоты химических процессов, протекающих при p, T = const и V, T = const, называюттепловыми эффектами.
При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и DH<0 (H2<H1), а при эндотермических энтальпия системы увеличивается и DH>0 (H2>H1). В дальнейшем тепловые эффекты всюду выражаются через DH.
Термохимические расчеты основаны на законе Гесса (1840): тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.
Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (DH х.р..) равен сумме теплот образования DHобр продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции:
DH х.р. = SDH 0прод - SDH 0исх (1)
Пример 1. При взаимодействии кристаллов хлорида фосфора (V) с парами воды образуется жидкий РОС13 и хлористый водород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.
Решение. Уравнения реакций, в которых около символов химических соединений указываются их агрегатные состояния или кристаллическая модификация, а также численное 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 DH. Значение DH приводят обычно в правой части уравнения, отделяя его запятой или точкой с запятой.
Приняты следующие сокращенные обозначения агрегатного состояния веществ: г - газообразное, ж - жидкое, к - кристаллическое. Эти символы опускаются, если агрегатное состояние веществ очевидно.
Если в результате реакции выделяется теплота, то DH<0. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
РСl5(к) + Н2O(г) = РОС13 (ж)+2 НС1(г); DH х.р. = -111,4 кДж.
Таблица 5 Стандартные теплоты (энтальпии) образования DH0298
некоторых веществ
Вещество | Состояние | DH0298, кДж/моль | Вещество | Состояние | DH0298, кДж/моль |
С2Н2 | г | +226,75 | СН3ОН | г | -201,17 |
СS2 | г | +115,28 | С2Н5ОН | г | -235,31 |
NO | г | +90,37 | Н2O | г | -241,83 |
С6Н6 | г | +82,93 | Н2O | ж | -285,84 |
С2Н4 | г | +52,28 | NH4Cl | к | -315,39 |
Н2S | г | -20,15 | СО2 | г | -393,51 |
NН3 | г | -46,19 | Fe2О3 | к | -821,32 |
СН4 | г | -74,85 | Са(ОН)2 | к | -986,50 |
С2Н6 | г | -84,67 | Аl2O3 | к | -1669,80 |
НСl | г | -92,31 | Fe3O4 | к | -1117,71 |
СО | г | -110,52 | TiO2 | к | -912,1 |
Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением:
C2H6(г) + 31/2 O2 = 2 CO2(г) + 3 H2O(ж); DH х.р. = -1559,87 кДж.
Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО2(г) и Н2О(ж) (таблица 5).
Решение. Теплотой образования (энтальпией) данного соединения называют тепловой эффект реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относят к стандартному состоянию, т.е. 250С (298 К) и 1,013×105 Па, и обозначают через DH0298. Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то здесь и в дальнейшем индексы опускаются и тепловой эффект обозначается через DH. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:
2С (графит)+3 Н2 (г) = С2Н6 (г); DH = ?
исходя из следующих данных:
а) С2Н6 (г) + 31/2 О2 (г) = 2 СО2 (г) + 3 Н2О(ж); DH = -1559,87 кДж;
б) С (графит) + О2 (г) = СО2 (г); DH = - 393,51 кДж;
в) Н2 (г)+1/2 О2 = Н2О (ж); DH = - 285,84 кДж.
На основании закона Гесса с термохимическими уравнениямиможно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (в) - на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):
С2Н6 + 31/2 О2 – 2 С – 2 О2 – 3 Н2 – 3/2 О2 = 2 СО2 + 3 Н2О – 2 СО2 – 3 Н2О
DH = -1559,87 - 2 (-393,51) – 3 (-285,84) = +84,67 кДж
DH = -1559,87 + 787,02 + 857,52; С2Н6 = 2 С + 3 Н2;
DH = +84,67 кДж.
Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то DH0С2Н6 (г) = -84,67 кДж. К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:
DHх.р. = 2 DHсо2 + 3 DHн2о - DHс2н6 - 31/2 DHо2
Учитываем, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю:
DHс2н6 = 2 DHсо2 + 3 DHн2о - DHх.р.
DHс2н6 = 2 (-393,51) +3 (-285,84) +1559,87 = -84,67;
DH0с2н6 = -84,67 кДж.
Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:
С2Н5ОН (ж) + 3О2 (г) = 2СО2 (г) + 3Н2О (ж); DH = ?
Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная (молярная) теплотапарообразования) С2Н5ОН (ж) равна +42,36 кДж и известны теплоты образования: С2Н5ОН (г), СО2 (г), Н2О (ж) (см. таблицу 5).
Решение. Для определения DН-реакции необходимо знать теплоту образования С2Н5ОН (ж). Последнюю находим из данных:
С2Н5ОН (ж) = С2Н5ОН (г); DH = +42,36 кДж.
+42,36 = -235,31 - DHс2н5он (ж)
DHс2н5он (ж) = -235,31 - 42,36 = -277,67 кДж.
Вычисляем DH реакции, применяя следствия из закона Гесса:
DHх.р. = 2(-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж.
3.1 Контрольные вопросы
41. Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fe2O3 металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.
Ответ: 2543,1 кДж.
42. Газообразный этиловый спирт С2Н5ОН можно получить при взаимодействии этилена С2Н4 (г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: -45,76 кДж.
43. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:
FeО (к) + СО (г) = Fe (к) + СO2 (г); DH = -13,18 кДж.
СО (г) + 1/2 O2 (г) = СO2 (г); DH = -283,0 кДж.
Н2 (г) + 1/2 O2 (г) = Н2O (г); DH = -241,83 кДж.
Ответ: +27,99 кДж.
44. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод СS2 (г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: +65,43 кДж.
45. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО (г) и водородом, в результате которой образуются СН4 (г) и Н2O (г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 618,48 кДж.
46. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования NO? Вычислите теплоту образования NО исходя из следующих термохимических уравнений:
4 NН3 (г) + 5 O2 (г) = 4 NO (г) + 6 Н2O (ж); DH = -1168,80 кДж.
4 NH3 (г) + 3 O2 (г) = 2 N2 (г) + 6 Н2O (ж); DH = -1530,28 кДж.
Ответ: 90,37 кДж.
47. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия? Ответ: 78,97 кДж.
48. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования метана? Вычислите теплотуобразования метана исходя из следующих термохимическихуравнений:
Н2 (г) + 1/2 O2 (г) = Н2O (ж); DH = -285,84 кДж,
С (к) + O2 (г) = СO2 (г); DH = -393,51 кДж.
СН4 (г) + 2 O2 (г) = 2 Н2O (ж) + СО2 (г); DH = -890,31 кДж.
Ответ: -74,88 кДж.
49. Тепловой эффект какой реакции равен теплоте образования гидроксида кальция? Вычислите теплоту образования гидроксида кальция исходя из следующих термохимических уравнений:
Са (к) + 1/2O2 (г) = СаО (к); DH = -635,60 кДж.
Н2 (г) + 1/2O2 (г) = Н2O (ж); DH = -285,84 кДж.
СаО (к) + Н2O (ж) = Са(ОН)2 (к); DH = -65,06 кДж.
Ответ: -986,50 кДж.
50. Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензола 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.
51. Вычислите, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л (н.у.) ацетилена С2Н2, еслипродуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды?Ответ: 924,88 кДж.
52. 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.
53. Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим уравнением:
СН3ОН (ж) + 3/2 O2 (г) = СO2 (г) + 2Н2О (ж); DH = ?
Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования СН3ОН (ж) равна +37,4 кДж. Ответ: -726,62 кДж.
54. 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/моль.
55. Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением
С6Н6 (ж) + 71/2 O2 (г) = 6 СO2 (г) + 3 Н2О (г); DH = ?
Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования бензола равна +33,9 кДж. Ответ: -3135,58 кДж.
56. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этана С2H6 (г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м3 этана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 63742,86 кДж.
57. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:
4 NН3 (г) + 3 O2 (г) = 2 N2 (г) + 6 Н2О (ж); DH = -1530,28 кДж.
Вычислите теплоту образования NH3 (г). Ответ: -46,19 кДж/моль.
58. При взаимодействии 6,3 г железа с серой выделилось 11,31 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования сульфида железа FeS.
Ответ: -100,26 кДж/моль.
59. При сгорании 1 л ацетилена (н.у.) выделяется 56,053 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение реакции, в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Вычислите теплоту образования C2H2.
Ответ: 226,75 кДж/моль.
60. При получении эквивалентной массы 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.
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
На сайте allrefs.net читайте: Методическое пособие для выполнения контрольной работы. Р Х Кудашев...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Энергетика химических процессов
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов