Напишите термохимическое уравнение реакции между СО (г) и водородом, в результате которой образуются СН4 (г) и Н2О (г). Сколько теплоты выделится при этой реакции, если было получено 67,2 л метана в пересчете на нормальные условия
Ответ: 618,48 кДж
Запишем уравнение реакции:
СО (г) + 3H 2(г) > СН 4(г) + Н 2 О (г)
Вычислим изменение энтальпии данной реакции:
Таким образом, уравнение принимает вид:
СО(г) + 3H2(г) > СН4(г) + Н2О(г) + 206,16 кДж
Данное уравнение справедливо при образовании 1 моля или 22,4 л (н.у.) метана. При образовании 67,2 л или 3 моль метана уравнение принимает вид:
- 3СО (г) + 9H 2(г) > 3СН 4(г) + 3Н 2 О (г) + 618,48 кДж
- 3.Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? Вычислите?S°298 для каждого превращения. Сделайте вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях
Ответ: а) 118,78 Дж/(моль · К); б) - 3,25 Дж/(моль · К)
а) При переходе воды в пар энтропия системы увеличивается.
В 1911 г. Макс Планк предложил следующий постулат: энтропия правильно сформированного кристалла чистого вещества при абсолютном нуле равна нулю. Этот постулат может быть объяснен статистической термодинамикой, согласно которой энтропия есть мера беспорядочности системы на микроуровне:
где W - число различных состояний системы, доступное ей при данных условиях, или термодинамическая вероятность макросостояния системы; R = 1,38,10-16 эрг/град - постоянная Больцмана.
Очевидно, что энтропия газа существенно превышает энтропию жидкости. Это подтверждают расчеты:
H2O(ж) < H2O(г)
- ?S°проц. = 188,72 - 69,94 = 118,78 Дж/моль*К
- б) При переходе графита в алмаз энтропия системы уменьшается, т.к. число различных состояний системы уменьшается. Это подтверждают расчеты:
Cграф. > Cалм.
S°проц. = 2,44 - 5,69 = -3,25 Дж/моль*К
Вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях, так как энтропия характеризует неупорядоченность системы, то при аллотропных превращениях, если система становится более упорядоченной (в данном случае алмаз тверже и прочнее графита), то энтропия системы уменьшается. При фазовых превращениях: при переходе вещества из твердой, жидкой фазы в газообразную система становится менее упорядоченной и энтропия увеличивается и наоборот.
Для того, чтобы сравнивать энергетические эффекты различных процессов, тепловые эффекты определяют при стандартных условиях . За стандартные принимают давление 100 кПа (1 бар), температуру 25 0 С (298 К), концентрацию - 1 моль/л. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то тепловой эффект химической реакции называется стандартной энтальпией системы и обозначается ΔН 0 298 или ΔН 0 .
Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют термохимическими уравнениями .
В термохимических уравнениях указывают фазовое состояние и полиморфную модификацию реагирующих и образующихся веществ: г -газовое, ж - жидкое, к -кристаллическое, т - твердое, р - растворенное и др. Если агрегатные состояния веществ для условий реакции очевидны, например, О 2 , N 2 , Н 2 - газы, Аl 2 О 3 , СаСО 3 - твердые вещества и т.д. при 298 К, то их могут не указывать.
Термохимическое уравнение включает в себя тепловой эффект реакции ΔН , который в современной терминологии записывают рядом с уравнением. Например:
С 6 Н 6(Ж) + 7,5О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О (Ж) ΔН 0 = - 3267,7 кДж
N 2 + 3Н 2 = 2NН 3(Г) ΔН 0 = - 92,4 кДж.
С термохимическими уравнениями можно оперировать, как и с алгебраическими уравнениями (складывать, вычитать друг из друга, умножать на постоянную величину и т.д.).
Термохимические уравнения часто (но не всегда) приводятся для одного моля рассматриваемого вещества (получаемого или расходуемого). При этом другие участники процесса могут входить в уравнение с дробными коэффициентами. Это допускается, так как термохимические уравнения оперируют не с молекулами, а с молями веществ.
Термохимические расчеты
Тепловые эффекты химических реакций определяют как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов.
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса (1841 г):
Тепловой эффект реакции не зависит от пути, по которому протекает реакция (т.е. от числа промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы.
Например, реакция горения метана может протекать по уравнению:
СН 4 +2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О (Г) ΔН 0 1 = -802,34 кДж
Эту же реакцию можно провести через стадию образования СО:
СН 4 +3/2О 2 = СО + 2Н 2 О (Г) ΔН 0 2 = -519,33 кДж
СО +1/2О 2 = СО 2 ΔН 0 3 = -283,01 кДж
При этом оказывается, что ΔН 0 1 = ΔН 0 2 + ΔН 0 3 . Следовательно, тепловой эффект реакции, протекающей по двум путям, одинаков. Закон Гесса хорошо иллюстрируется с помощью энтальпийных диаграмм (рис.2)
Из закона Гесса вытекает ряд следствий:
1. Тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.
2. Если в результате ряда последовательных химических реакций система приходит в состояние, полностью совпадающее с исходным, то сумма тепловых эффектов этих реакций равна нулю (ΔН = 0). Процессы, в которых система после последовательных превращений возвращается в исходное состояние, называются круговыми процессами или циклами . Метод циклов широко используется в термохимических расчетах. .
3. Энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакций за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
Здесь встречаемся с понятием ""энтальпия образования"" .
Энтальпией (теплотой) образования химического соединения называется тепловой эффект реакции образования 1 моля этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25 0 С (298 К) и 100 кПа. Стандартные энтальпии образования химических веществ обозначаются ΔН 0 298 (или ΔН 0 ), измеряются в кДж/моль и приводятся в справочниках. Энтальпию образования простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа, принимают равной нулю.
В таком случае следствие из закона Гесса для теплового эффекта химической реакции (ΔН (Х.Р.) ) имеет вид:
ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 продуктов реакции - ∑ΔН 0 исходных веществ
Используя закон Гесса, можно рассчитывать энергию химической связи, энергию кристаллических решеток, теплоты сгорания топлив, калорийность пищи и т.д.
Наиболее распространенные расчеты – вычисление тепловых эффектов (энтальпий) реакций, что необходимо для технологических и научных целей.
Пример 1. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО 2(Г) и водородом, в результате которой образуются СН 4(Г) и Н 2 О (Г) , вычислив ее тепловой эффект на основе данных, приведенных в приложении. Сколько теплоты выделится в этой реакции при получении 67,2 л метана в пересчете на стандартные условия?
Решение .
СО 2(Г) + 3Н 2(Г) = СН 4(Г) + 2Н 2 О (Г)
Находим в справочнике (приложение) стандартные теплоты образования соединений, участвующих в процессе:
ΔН 0 (СО 2(Г) ) = -393,51 кДж/моль ΔН 0 (СН 4(Г) ) = -74,85 кДж/моль ΔН 0 (Н 2(Г) ) = 0 кДж/моль ΔН 0 (Н 2 О (Г) ) = ―241,83 кДж/моль
Обратите внимание, что теплота образования водорода, как и всех простых веществ в их устойчивом при данных условиях состоянии, равна нулю. Рассчитываем тепловой эффект реакции:
ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 (прод.) - ∑ΔН 0 (исх.) =
ΔН 0 (СН 4(Г) ) + 2ΔН 0 (Н 2 О (Г) ) - ΔН 0 (СО 2(Г) ) -3ΔН 0 (Н 2(Г) )) =
74,85 + 2(-241,83) - (-393,51) - 3·0 = -165,00 кДж/моль.
Термохимическое уравнение имеет вид:
СО 2(Г) + 3Н 2(Г) = СН 4(Г) + 2Н 2 О (Г) ; ΔН = -165,00 кДж
Согласно этому термохимическому уравнению, 165,00 кДж теплоты выделится при получении 1 моль, т.е. 22,4 л метана. Количество теплоты, выделившейся при получении 67,2 л метана, находим из пропорции:
22,4 л -- 165,00 кДж 67,2·165,00
67,2 л -- Q кДж Q = ------ = 22,4
Пример 2. При сгорании 1л этилена С 2 Н 4(Г) (стандартные условия) с образованием газообразного оксида углерода (IV) и жидкой воды выделяется 63,00 кДж теплоты. Рассчитайте по этим данным мольную энтальпию горения этилена и запишите термохимическое уравнение реакции. Вычислите энтальпию образования С 2 Н 4(Г) и сравните полученное значение с литературными данными (приложение).
Решение. Составляем и уравниваем химическую часть требующегося термохимического уравнения:
С 2 Н 4(Г) + 3О 2(Г) = 2СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ; Н = ?
Создаваемое термохимическое уравнение описывает горение 1 моль, т.е. 22,4 л этилена. Необходимую для него мольную теплоту горения этилена находим из пропорции:
1л -- 63,00 кДж 22,4·63,00
22,4 л -- Q кДж Q = ------ =
1410,96 кДж
Н = -Q , термохимическое уравнение горения этилена имеет вид: С 2 Н 4(Г) + 3О 2(Г) = 2СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ; Н = -1410,96 кДж
Для расчета энтальпии образования С 2 Н 4(Г) привлекаем следствие из закона Гесса: ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 (прод.) - ∑ΔН 0 (исх.).
Используем найденную нами энтальпию горения этилена и приведенные в приложении энтальпии образования всех (кроме этилена) участников процесса.
1410,96 = 2·(-393,51) + 2·(-285,84) - ΔН 0 (С 2 Н 4(Г) ) - 3·0
Отсюда ΔН 0 (С 2 Н 4(Г) ) = 52,26 кДж/моль. Это совпадает со значением, приведенным в приложении и доказывает правильность наших вычислений.
Пример 3. Напишите термохимическое уравнение образования метана из простых веществ, вычислив энтальпию этого процесса из следующих термохимических уравнений:
СН 4(Г) + 2О 2(Г) = СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ΔН 1 = -890,31 кДж (1)
С (ГРАФИТ) + О 2(Г) = СО 2(Г) Н 2 = -393,51 кДж (2)
Н 2(Г) + ½О 2(Г) = Н 2 О (Ж) Н 3 = -285,84 кДж (3)
Сравните полученное значение с табличными данными (приложение).
Решение. Составляем и уравниваем химическую часть требующегося термохимического уравнения:
С (ГРАФИТ) + 2Н 2(Г) = СН 4(Г) Н 4 = Н 0 (СН 4(Г)) ) =? (4)
С термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Мы должны в результате алгебраических действий с уравнениями 1, 2 и 3 получить уравнение 4. Для этого следует уравнение 3 умножить на 2, результат сложить с уравнением 2 и вычесть уравнение 1.
2Н 2(Г) + О 2(Г) = 2Н 2 О (Ж) Н 0 (СН 4(Г) ) = 2 Н 3 + Н 2 - Н 1
+ С (ГРАФИТ) + О 2(Г) + СО 2(Г) Н 0 (СН 4(Г) ) = 2(-285,84)
- СН 4(Г) - 2О 2(Г) -СО 2(Г) - 2Н 2 О (Ж) + (-393,51)
С (ГРАФИТ) + 2Н 2(Г) = СН 4(Г) Н 0 (СН 4(Г) ) = -74,88 кДж
Это совпадает со значением, приведенным в приложении, что доказывает правильность наших вычислений.
Понятие о термохимических уравнениях реакций
Уравнения химических реакций, в которых указан тепловой эффект, называют термохимическими уравнениями. Тепловой эффект приводят как значение изменения энтальпии реакции АН. В термохимических уравнениях, в отличие от обычных химических уравнений, обязательно указывают агрегатные состояния веществ (жидкое «ж.», твердое «тв.» или газообразное «г.»). Это связано с тем, что одно и то же вещество в разных агрегатных состояниях обладает разной энтальпией. Поэтому химическая реакция с участием одинаковых веществ, но в разном агрегатном состоянии характеризуется разным тепловым эффектом.
Тепловой эффект реакции в термохимических уравнениях обозначают двумя способами:
1) указывают только знак АН — если нужно просто отметить, является реакция экзо- или эндотермической:
Изменение энтальпии, приведенное в термохимическом уравнении,— это такая же часть химического уравнения, как и формулы веществ, и поэтому подчиняется тем же самым соотношениям. Например, для уравнения горения этана:
Для других количеств реагентов или продуктов количество теплоты пропорционально изменится.
Часто для облегчения пользования термохимическими уравнениями коэффициенты в них сокращают так, чтобы перед формулами веществ, по которым ведутся расчеты, стоял коэффициент 1. Конечно, в таком случае другие коэффициенты могут получиться дробными, при этом необходимо пропорционально уменьшать и значение изменения энтальпии. Так, для реакции взаимодействия натрия с водой, приведенной выше, можно записать термохимическое уравнение:
Составление термохимических уравнений реакций Пример 1. При реакции азота количеством вещества 1 моль с кислородом с образованием нитроген(П) оксида поглощается 181,8 кДж энергии. Составьте термохимическое уравнение реакции.
Решение. Поскольку энергия поглощается, то АН является положительным числом. Термохимическое уравнение будет выглядеть так:
Пример 2. Для реакции синтеза гидроген йодида из простых газообразных веществ АН = +52 кДж/моль. Составьте термохимическое уравнение разложения гидроген йодида до простых веществ.
Решение. Реакции синтеза гидроген йодида и его разложения — это противоположные реакции. Анализируя рисунок 18.4, можно сделать вывод, что в этом случае вещества, а следовательно, и их энтальпии одинаковы. Разница только в том, какое из веществ является продуктом реакции, а какое — реагентом. Основываясь на этом, делаем вывод, что в противоположных процессах АН одинаковы по значению, но разные по знаку. Итак, для реакции синтеза гидроген йодида:
Поскольку на практике измеряют массу или объем веществ, то есть необходимость составлять термохимические уравнения, используя именно эти данные. Пример. При образовании жидкой воды массой 18 г из простых веществ выделилось 241,8 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции. Решение. Вода массой 18 г соответствует количеству вещества n(H 2 O) = m / M = 18 г / 18 г / моль = 1 моль. А в уравнении реакции образования воды из простых веществ перед формулой воды стоит коэффициент 2. Значит, в термохимическом уравнении необходимо отметить изменение энтальпии при образовании воды количеством вещества 2 моль, т. е. 241,8 . 2 = 483,6:
На этикетках продуктов питания обязательно приводят данные об их энергетической ценности, которую часто называют калорийностью. Большинство людей информация о калорийности продуктов наводит на размышления: «На сколько я поправлюсь, если я это съем?» На самом деле цифры, которые указаны на этикетке,— это тепловой эффект реакции полного сгорания 100 г этого продукта до углекислого газа и воды. Этот тепловой эффект часто приводят в устаревших единицах измерения теплоты — калориях или килокалориях (1 кал = 4,18 Дж, 1 ккал = 4,18 кДж), откуда и произошел термин «калорийность».
Ключевая идея
Изменение энтальпии — количественная характеристика выделенной или поглощенной теплоты в процессе химической реакции.
Задания для усвоения материала
210. Какие уравнения реакций называют термохимическими?
211. Определите, какие из приведенных термохимических уравнений соответствуют экзотермическим процессам? эндотермическим процессам?
212. По термохимическому уравнению синтеза аммиака вычислите, сколько теплоты выделится: а) при расходовании азота количеством вещества 1 моль; б) образовании аммиака количеством вещества 2 моль. 1\1 2 (г.) + 3Н 2 (г.) = 2NH 3 (n); ДН = -92 кДж/моль.
213. Изменение энтальпии реакции сгорания угля равно 393,5 кДж/моль. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
214. При сгорании метана количеством вещества 1 моль выделилось 890 кДж энергии. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
215. Феррум(11) оксид восстанавливается карбон(11) оксидом до железа. Эта реакция сопровождается выделением 1318 кДж теплоты при получении 1 моль железа. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
216. При взаимодействии водорода с йодом образовался гидроген йодид количеством вещества 2 моль. При этом поглотилось 101,6 кДж энергии. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
217. По термохимическим уравнениям в задании 211 составьте термохимические уравнения реакций: а) образования меркурий(П) оксида из простых веществ; б) разложения гидроген хлорида; в) образования глюкозы в процессе фотосинтеза.
218. При сгорании карбон(И) оксида количеством вещества 2 моль выделилось 566 кДж энергии. Составьте термохимическое уравнение реакции.
219. На разложение барий карбоната массой 197 г расходуется 272 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
220. При взаимодействии железа массой 56 г с серой выделилось 95 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
221. Сравните приведенные термохимические уравнения и объясните различия в изменении энтальпии:
222*. Изменение энтальпии реакции нейтрализации хлоридной кислоты натрий гидроксидом равно -56,1 кДж/моль, а калий гидроксидом — -56,3 кДж/моль. При реакции нитратной кислоты с литий гидроксидом изменение энтальпии равно -55,8 кДж/моль. Как вы считаете, почему тепловые эффекты этих реакций почти совпадают?
Это материал учебника
Из материалов урока вы узнаете, какое уравнение химической реакции называют термохимическим. Урок посвящен изучению алгоритма расчетов по термохимическому уравнению реакций.
Тема: Вещества и их превращения
Урок: Расчеты по термохимическим уравнениям
Практически все реакции протекают с выделением или поглощением теплоты. Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе реакции, называется тепловым эффектом химической реакции .
Если тепловой эффект записан в уравнении химической реакции, то такое уравнение называют термохимическим .
В термохимических уравнениях, в отличие от обычных химических, обязательно указывают агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное).
Например, термохимическое уравнение реакции между оксидом кальция и водой выглядит так:
СаО (т) + Н 2 О (ж) = Са(ОН) 2(т) + 64 кДж
Количество теплоты Q, выделившееся или поглощенное при протекании химической реакции, пропорционально количеству вещества реагента или продукта. Поэтому, пользуясь термохимическими уравнениями, можно производить различные расчеты.
Рассмотрим примеры решения задач.
Задача 1: Определите количество теплоты, затраченное на разложение 3,6 г воды в соответствии с ТХУ реакции разложения воды:
Решить эту задачу можно с помощью пропорции:
при разложении 36 г воды поглотилось 484 кДж
при разложении 3,6 г воды поглотилось x кДж
Таким образом, можно составить уравнение реакции. Полное решение задачи приведено на Рис.1.
Рис. 1. Оформление решения задачи 1
Задача может быть сформулирована таким образом, что вам нужно будет составить термохимическое уравнение реакции. Рассмотрим пример такой задачи.
Задача 2 : При взаимодействии 7 г железа с серой выделилось 12,15 кДж теплоты. На основании этих данных составьте термохимическое уравнение реакции.
Обращаю ваше внимание на то, что ответом в данной задаче служит само термохимическое уравнение реакции.
Рис. 2. Оформление решения задачи 2
1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й кл.: к учеб. П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006. (с.80-84)
2. Химия: неорган. химия: учеб. для 8кл. общеобр. учрежд. /Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§23)
3. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Решение задач: расчеты по термохимическим уравнениям ().
2. Термохимические уравнения ().
Домашнее задание
1) с. 69 задачи №№ 1,2 из учебника «Химия: неорган. химия: учеб. для 8кл. общеобр. учрежд.» /Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.
2) с.80-84 №№ 241, 245 из Сборника задач и упражнений по химии: 8-й кл.: к учеб. П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006.
