Т ЕРМОХИМИЯ И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ОСНОВЫ

ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Термохимические уравнения и расчеты

Пример 1. Расчет стандартной теплоты образования веществ.

Определить стандартную теплоту образования метана СН₄, используя таб-личные данные по теплотам образования и сгорания веществ (.

Решение

Стандартная теплота образования вещества Δ Н _f ^o равна теплоте образо-вания 1 моль этого вещества из простых веществ при стандартных условиях    ( Т = 298 К; р = 101, 32 кПа).

Образование метана СН₄ из простых  веществ можно представить так:

                           С_(тв) + 2Н_2(г) = СН₄ + Δ Н _f ^o (СН₄)                           (1)

Определить экспериментально тепловой эффект приведенной реакции (1) практически невозможно. Однако определить тепловой эффект реакции (2) сгорания метана в избытке кислорода до продуктов полного окисления СО_2(г) и Н₂О_(ж) не представляет экспериментальных трудностей:

          СН_{4 (г)} + 2О_2(г) = СО_2(г) + 2Н₂О_(ж) + Δ Н^о_сгор(СН₄),                (2)

где Δ Н^о_сгор(СН₄) = - 890, 4 кДж/моль.

Напомним, что стандартная теплота сгорания вещества Δ Н^о_сгор  – теплота, которая выделяется при сгорании 1 моль этого вещества (до продуктов полного окисления) при стандартных условиях (см. выше).

Также легко определить экспериментально тепловые эффекты реакций сгорания углерода С и водорода Н₂ в кислороде соответственно до оксида углерода (IV) – СО₂ и жидкой воды – Н₂О:

                                    С_(тв) + О_2(г) = СО_2(г) + Δ Н^о_сгор(С),                     (I)

где Δ Н^о_сгор(С) = Δ Н^о_обр(СО₂) = - 393, 5 кДж/моль.

                       Н_2(г) + 0, 5О_2(г) = Н₂О_(ж) + Δ Н^о_сгор(Н₂),                    (II)

где Δ Н^о_сгор(Н₂)= Δ Н^о_обр(Н₂О) = - 285, 8 кДж/моль.

Отметим, что все реакции сгорания (2, I, II ) имеют Δ Н^о_сгор < 0 всегда, потому что они всегда экзо термичны.

Сложив уравнение (I) с удвоенным уравнением (II), получим следующее термохимическое (ТХ) уравнение:

С_(тв)+2О_2(г)+2Н_2(г)=СО_2(г)+2Н₂О_(ж)+(Δ Н^о_сгор(С)+2Δ Н^о_сгор(Н₂)) или

С_(тв)+2О_2(г)+2Н_2(г)=СО_2(г)+2Н₂О_(ж)+(Δ Н _f ^о (С O ₂ )+2Δ Н _f ^о (Н₂ O )) или

С_(тв)+2О_2(г)+2Н_2(г)=СО_2(г)+2Н₂О_(ж)+( - 393, 5 – 2·285, 8) кДж   или

                С_(тв) + 2О_2(г) + 2Н_2(г) = СО_2(г) + 2Н₂О_(ж) – 965, 1 кДж.       (3)

             простые вещества      продукты полного сгорания 1 моль СН₄

Вспомним, что закон Гесса утверждает, что тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное.

 В соответствии с законом Гесса построим цикл превращений (см.рис. 5.1), из которого наглядно видно, что непосредственный переход от простых веществ (С_(тв)  + 2О_2(г) + 2Н_2(г)) к продуктам полного сгорания 1 моль метана СН₄ (СО_2(г)+2Н₂О_(ж)) дает тот же тепловой эффект, что и путь через две проме-жуточные стадии: образования СН₄ с последующим его сгоранием до тех же ко-нечных продуктов.

Из схемы следует:

 + 2 =  +

или                   + 2  =  + ^.

 

      Δ Н _f ^о (С O ₂ )+2Δ Н _f ^о (Н₂ O )= – 965, 1 кДж       Δ Н^о_сгор(СН₄) = – 890, 4 кДж/моль

     Δ Н^о_сгор(С)+2Δ Н^о_сгор(Н₂)= – 965, 1 кДж       ( ТХ уравнение 2 )

                                   ( ТХ уравнение 3 )                                    

Δ Н f o(СН4) =?

                                                                      ( ТХ уравнение 1)

 

Рис. 5.1. Схема цикла превращений к расчету теплоты образования метана

Отсюда нетрудно найти искомую величину теплоты образования метана :

= + 2 − =

= – 965, 1– ( – 890, 4) = – 74, 7 кДж/моль.

Так как  < 0, то реакция (1) – экзо термическая.

Примечание:

Анализ термохимических уравнений (ТХ уравнений) (3) подтверждает следствия из законов Гесса:

I -е: Тепловой эффект реакции ( – 965, 1 кДж) равен разности между суммой теплот образования конечных продуктов реакции (  + 2 ) и суммой теплот образования исходных веществ (  = = 0) с учетом стехиометрических коэффициентов.

II -е: Тепловой эффект реакции ( – 965, 1 кДж) равен разности между суммой теплот сгорания начальных веществ ( + 2 ) и суммой теплот сгорания конечных продуктов реакции (  =  = 0) с учетом стехиометрических коэффициентов.

Пример 2. Расчет теплового эффекта химической реакции по теплотам образования реагирующих веществ и продуктов реакции.

Определить количество теплоты, выделяющейся при гашении 100 кг извести  водой при 25 ^оС, если известны стандартные теплоты образования

веществ, участвующих в химической реакции:

, кДж/моль  – 635, 6 – 285, 6  – 986, 6

(см. табл.7 приложения).

Решение

Согласно I-у следствию из закона Гесса (см. пример 1 примечание):

 =  - (  + ) =

= – 986, 6 – ( – 635, 5 – 285, 6) = – 65, 5 кДж.

Таким образом, при гашении водой 1 моль извести  выделяется   65, 5 кДж ( < 0, реакция экзо термическая).

По условию задачи в реакции участвует число молей , равное:

 = ,

где  - масса извести, равная 100 кг,

М(СаО) – молярная масса , равная 56 г/моль.

Таким образом:

 =  = 1785, 7 моль,

а количество тепла, которое выделяется при гашении 100 кг извести, равно соответственно: 65, 5·1785, 7 = 116963, 4 кДж.

Пример 3. Расчет теплового эффекта химической реакции по теплотам сгорания реагирующих веществ и продуктов реакции.

Определить тепловой эффект реакции дегидрирования этана  до этена (этилена) :

= + + ,

если известны стандартные теплоты сгорания веществ, участвующих в химической реакции:

 = – 1559, 8 кДж/моль;

 = – 1410, 9 кДж/моль;

 = – 285, 8 кДж/моль (см. табл. 8, приложения).

Решение

Согласно II-у следствию из закона Гесса (см. пример 1, примечание):

 =  − (  + ) =

= – 1559, 8 – ( – 1410, 9 – 285, 8) = 136, 9 кДж.

Таким образом, реакция отщепления водорода от предельного углеводорода этана С₂Н₆ (реакция дегидрирования) до образования этилена С₂Н₄ требует затраты энергии (поглощения тепла), поэтому > 0, т.е. реакция эндо термическая.

Примечание:

Расчет теплового эффекта данной реакции по теплотам образования участ-вующих в реакции веществ (см.пример 2) дает тот же результат:

 =  - ( C ₂ H ₆ ) = 52, 3 – ( – 84, 6) = 136, 9 кДж.

Пример 4. Расчет энергии связи.

Определить энергию связи кислород-водород Е_св(О-Н) в молекуле воды, если Е_св(Н-Н) и Е_св(О=О) в молекулах простых веществ соответственно равны 435, 6 и 498, 0 кДж/моль, а  = – 241, 8 кДж/моль.

Решение

Энергия химической связи Е_св характеризует прочность связи (см. п.4.1, пример 5).

Процесс образования молекулы воды Н₂О можно представить следующим образом: рвутся связи Н-Н и О=О в молекулах простых веществ Н₂ и О₂, а образовавшиеся атомы водорода и кислорода соединяются в молекулы Н₂О, каждая из которых содержит две связи О-Н:

4Н_(г) = 2Н_2(г) + ( – 435, 6× 2) кДж,

2О_(г) = О_2(г) – 498, 0 кДж,

2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) + ( – 241, 8× 2) кДж.

      Суммарно: 4Н_(г) + 2О_(г) = 2Н₂О_(г) – 1852, 8 кДж.

Следовательно, термохимическое уравнение, соответствующее разрыву 4-х связей О-Н в 2-х молекулах Н₂О (Н-О-Н), имеет вид:

2Н₂О_(г) = 4Н_(г) + 2О_(г) + 1852, 8 кДж.

Отсюда следует, что средняя энергия связи кислород-водород Е_св(О-Н) равна .

Примечание

Решить задачу можно, построив цикл превращений в соответствии с законом Гесса, как это было сделано в примере 1:

 

                                        

4Е_св(О-Н)                       

 

 

Из схемы цикла превращений следует:

4Е_св(О-Н)= 2Е_св(Н-Н) + Е_св(О=О) - 2  =

= (435, 6× 2) + 498, 0 – 2( – 241, 8) = 1852, 8 кДж,

а средняя энергия связи О-Н:

Е_св(О-Н)= , (см. табл. 6, приложения).

Пример 5. Расчет теплового эффекта химической реакции по величинам энергии связи реагирующих веществ и продуктов реакции.

Определить тепловой эффект реакции дегидрирования этана С₂Н₆ до этилена С₂Н₄  (см. пример 3):

если известны энергии связей:

Е_св(С-Н) = 366, 2 кДж/моль;

Е_св(С-С) = 262, 8 кДж/моль;

Е_св(С=С) = 423, 4 кДж/моль;

Е_св(Н-Н) = 435, 6 кДж/моль (см. табл. 6, приложения).

Результаты расчета сопоставить с величиной , вычисленной с помощью следствий из закона Гесса (см. пример 3).

Решение

В примере 4 была рассчитана энергия связи по теплоте образования соеди-нения. Но возможно и решение обратной задачи. Поэтому, анализируя уравне-ние, полученное в примечании к примеру 4, можно сделать следующий вывод.

Тепловой эффект реакции, протекающей в газовой фазе при 298 К, равен разности между суммой энергий связей начальных веществ и суммой энергий связей конечных продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов.

Таким образом, тепловой эффект данной реакции равен:

 

=(6Е_св(С-Н) + Е_св(С-С)) – (4Е_св(С-Н) + Е_св(С=С) + Е_св(Н-Н))= 2Е_св(С-Н) + Е_св(С-С) – Е_св(С=С) – Е_св(Н-Н) =(2× 366, 2) + 262, 8 – 423, 4 – 435, 6 = 136, 2 кДж.

Результат расчета по энергиям связей (  = 136, 2 кДж) практически не отличается от величины , полученной через теплоты сгорания и образования веществ (  = 136, 9 кДж) в примере 3.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: