microbik.ru
1 2
Тепловой эффект химической реакции. Основные законы термохимии.

В каждом веществе запасено определенное количество энергии. Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется ЗАТРАТИТЬ ЭНЕРГИЮ. Когда химическая связь образуется, энергия ВЫДЕЛЯЕТСЯ. Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других.

Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии БОЛЬШЕ, чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты (рис. 1а). Такие реакции называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ от латинского "экзо" - наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).

В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании (рис. 1б).


Рис. 1а

Рис. 1б

Рис. 1. Изображение химических реакций при помощи моделей молекул: а) экзотермическая реакция, б) эндотермическая реакция. Модели наглядно показывают, как при неизменном числе атомов между ними разрушаются старые и возникают новые химические связи.

Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется ТЕПЛОВЫМ ЭФФЕКТОМ РЕАКЦИИ. Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений:

2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 572 кДж или H2(г) + 1/2 O2(г) = H2О(ж) + 286 кДж

Оба уравнения одинаково правильны и оба выражают тепловой эффект экзотермической реакции образования воды из водорода и кислорода. Первое - на 1 моль использованного кислорода, а второе - на 1 моль сгоревшего водорода или на 1 моль образовавшейся воды. Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ. Встречаются также обозначения (тв) или (к) - твердое, кристаллическое вещество, (водн) - растворенное в воде вещество и т.д.

Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение. Например, в реакции сгорания водорода первоначально образуется вода в виде пара (газообразное состояние), при конденсации которого может выделиться еще некоторое количество энергии. Следовательно, для образования воды в виде жидкости измеренный тепловой эффект реакции будет несколько больше, чем для образования только пара, поскольку при конденсации пара выделится еще порция теплоты.

Используется также частный случай теплового эффекта реакции - ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит для характеристики вещества, применяемого в качестве топлива. Теплоту сгорания относят к 1 молю вещества, являющегося топливом (восстановителем в реакции окисления), например:

C2H2

+

2,5 O2

=

2 CO2

+

H2O

+

1300 кДж

ацетилен

 

 

 

 

 

 

 

теплота сгорания ацетилена

Запасенную в молекулах энергию (Е) можно отложить на энергетической шкале. В этом случае тепловой эффект реакции ( Е) можно показать графически (рис. 1-2).



Рис. 2. Графическое изображение теплового эффекта (Q =  Е): а) экзотермической реакции горения водорода; б) эндотермической реакции разложения воды под действием электрического тока. Координату реакции (горизонтальную ось графика) можно рассматривать, например, как степень превращения веществ (100% - полное превращение исходных веществ).

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы (рис. 3).



Рис. 3. Самая мощная в мире российская ракета "Энергия" перед стартом на космодроме Байконур. Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде.

Допустим, вам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя? Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".

Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и тепловой эффект реакции, называются ТЕРМОХИМИЧЕСКИМИ УРАВНЕНИЯМИ. Особенность термохимических уравнений заключается в том, что при работе с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из одной части уравнения в другую. С обычными уравнениями химических реакций так поступать, как правило, нельзя. Допускается также почленное сложение и вычитание термохимических уравнений. Это бывает нужно для определения тепловых эффектов реакций, которые трудно или невозможно измерить в опыте.Приведем пример.

В лаборатории чрезвычайно трудно осуществить "в чистом виде" реакцию получения метана СH4 путем прямого соединения углерода с водородом:

С + 2 H2 = СH4

Но можно многое узнать об этой реакции с помощью вычислений. Например, выяснить, будет эта реакция экзо- или эндотермической, и даже количественно рассчитать величину теплового эффекта.

Известны тепловые эффекты реакций горения метана, углерода и водорода (эти реакции идут легко):

а) СH4(г) + 2 O2(г) = СO2(г) + 2 H2О(ж) + 890 кДж

б) С(тв) + O2(г) = СO2(г) + 394 кДж

в) 2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 572 кДж

Вычтем два последних уравнения (б) и (в) из уравнения (а) Левые части уравнений будем вычитать из левой, правые - из правой. При этом сократятся все молекулы O2, СO2 и H2О. Получим:

СH4(г) - С(тв) - 2 H2(г) = (890 - 394 - 572) кДж = -76 кДж

Это уравнение выглядит несколько непривычно. Умножим обе части уравнения на (-1) и перенесем CH4 в правую часть с обратным знаком. Получим нужное нам уравнение образования метана из угля и водорода:

С(тв) + 2 H2(г) = CH4(г) + 76 кДж/моль

Итак, наши расчеты показали, что тепловой эффект образования метана из углерода и водорода составляет 76 кДж (на моль метана), причем этот процесс должен быть экзотермическим (энергия в этой реакции будет выделяться).

Обратите внимание, что почленно складывать, вычитать и сокращать в термохимических уравнениях можно только вещества, находящиеся в одинаковых агрегатных состояниях, иначе мы ошибемся в определении теплового эффекта на величину теплоты перехода из одного агрегатного состояния в другое.

Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях, называется ТЕРМОХИМИЕЙ. Существует два важнейших закона термохимии.

Первый из них, закон Лавуазье–Лапласа, формулируется следующим образом: Тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.

Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества. Например:

2 H2(г) + O2(г) 2 H2О(ж) + 572 кДж (горение водорода в кислороде)

2 H2О(ж) + 572 кДж = 2 H2(г) + O2(г) (разложение воды электрическим током)

Закон Лавуазье–Лапласа является следствием закона сохранения энергии.

Второй закон термохимии был сформулирован в 1840 г российским академиком Г. И. Гессом: Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательных реакций будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и в конце этих рядов одни и те же исходные и конечные вещества.

Рассмотрим пример, поясняющий закон Гесса. Сульфат натрия Na2SO4 можно получить двумя путями из едкого натра NaOH. Один путь включает только одну стадию, а во второй - две стадии, с промежуточным получением кислой соли NaHSO4:

Первый путь (одностадийный): 2 NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2 H2O + 131 кДж;

Второй путь (двухстадийный):

а) NaOH + H2SO4 = NaНSO4 + H2O + 62 кДж

б) NaHSO4 + NaOH = Na2SO4 + H2O + 69 кДж

Согласно закону Гесса, тепловой эффект получения сульфата натрия из NaOH не зависит от способа получения. Действительно, складывая тепловые эффекты двух последовательных реакций в способе (2) мы получаем тот же тепловой эффект, что и для способа (1): 65 кДж + 69 кДж = 131 кДж. Кстати, почленное сложение двух последних уравнений дает первое уравнение реакции.

Именно эти два основных закона термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое сходство с математическими, когда в уравнениях реакций можно переносить члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать формулы химических соединений. При этом необходимо учитывать коэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые, вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковом агрегатном состоянии.

** Как экспериментально можно измерить тепловой эффект какой-нибудь химической реакции? Рассмотрим на примере экзотермической реакции между металлическим алюминием и оксидом железа. Для этой цели используют специальный прибор - калориметр. Представьте себе большую "кастрюлю", обернутую теплоизолирующим материалом, чтобы тепло не могло проникать сквозь стенки ни внутрь, ни наружу. Крышка прибора тоже теплоизолирована. В калориметр помещают лед и воду. Через некоторое время внутри прибора устанавливается постоянная температура: 0 оС. Воду можно выливать из калориметра через специальный кран, а взвешенный на весах лед добавлять, подняв крышку. Поместим в калориметр "бомбу" - герметичный сосуд, содержащий 5,40 г алюминиевой стружки и 15,97 г оксида железа (III): Fe2O3. Внутрь "бомбы" проведены провода, чтобы можно было с помощью электрической искры инициировать реакцию:

2 Al(тв) + Fe2O3(тв) = Al2O3(тв) + 2 Fe(тв) + Q кДж

Допустим, что к моменту начала реакции в калориметре находится 8,000 кг льда и 8,000 кг жидкой воды. После окончания реакции и остывания "бомбы" до 0 оС мы установили, что в калориметре находится 8,254 кг жидкой воды (и, соответственно, 7,746 кг льда). Таким образом, расплавилось 0,254 кг льда, теплота плавления которого составляет 335 Дж/г (или 335 кДж/кг). Следовательно, в реакции выделилось 0,254кг (335кДж/кг) = 85,1 кДж теплоты. Поскольку для эксперимента мы взяли ровно 0,2 моля Al и 0,1 моль Fe2O3 (посчитайте сами и убедитесь, что число молей пропорционально коэффициентам в уравнении реакции), то тепловой эффект исследуемой реакции в данных условиях составляет 851 кДж (реакция экзотермическая).

Чаще используют не ледяные калориметры, а более удобные - наполненные водой и снабженные термометром. В этом случае о количестве выделившейся теплоты судят по повышению температуры жидкости. Количество теплоты Q = mc(t2 - t1), где m - масса воды в калориметре, c - её удельная теплоемкость, t1 - температура воды до начала реакции и t2 - температура воды по окончании реакции.




Рис. 4. Общий вид используемой калориметрической установки

Используемая в настоящей работе калориметрическая установка. представлена на рис. 4. Она состоит из калориметрического стакана (схематическое изображение калориметрического стакана приведено на рис. 5) объемом 400 мл (1),, сделанного по типу сосуда Дьюара, в который помещен сердечник магнитной мешалки (2). Стакан закрывается пластмассовой крышкой (3), имеющей три отверстия: одно -  для небольшой воронки (4), второе - для помещения датчика температуры (5), позволяющего регистрировать температуру с точностью до сотых долей градуса, и третье - для нагревателя (6), имеющего точно известное электросопротивление. Отверстия в крышке снабжены зажимами, позволяющими надежно закреплять на необходимой высоте нагреватель и датчик температуры. Высота крепления нагревателя и датчика температуры подбирается так, чтобы сердечник магнитной мешалки не задевал за них при работе.

Кроме того, в состав калориметрической установки входит магнитная мешалка, блок питания нагревателя и магнитной мешалки, измерительный преобразователь ЭКСПЕРТ-001-3. Калориметрическая установка может работать в ручном режиме или с компьютером. При работе в ручном режиме значения температуры выдаются на дисплей измерительного преобразователя ЭКСПЕРТ-001-3, записываются и обрабатываются пользователем самостоятельно. ся пользователем самостоятельно. На основании температурных измерений строится график  в координатах время  - температура, oС.

Рис.5 Схематическое изображение калориметрического стакана.

ЗАДАЧИ

1. (НГУ) Определите величину теплового эффекта реакции:

2 S + 3 O2 = 2 SO3

если известны тепловые эффекты реакций

а) S + O2 = SO2 + 297 кДж/моль

б) SO2 + 0,5 O2 = SO3 + 396 кДж/моль

2. На основании двух термохимических уравнений определите, что устойчивее - алмаз или графит?

С (графит) + O2 = СO2 + 393,8 кДж

С (алмаз) + O2 = СO2 + 395,7 кДж

3.** (МГУ). Даны три уравнения химических реакций:

а) Ca (тв) + 2 H2O (ж) = Ca(OH)2 (водн) + H2 (г) + 456,4 кДж

б) CaO (тв) + H2O (ж) = Ca(OH)2 (водн) + 81,6 кДж

в) H2 (г) + 1/2 O2 (г) = H2O (ж) + 286 кДж

Определите тепловой эффект реакции: Ca (тв) + 1/2 O2 (г) = CaO (тв) + Q кДж.

  1. Рассчитайте тепловой эффект химической реакции Рк +Cl2,г = PCl5,к если РС15 можно получить в две стадии

        1. Р(к) + Cl2,г = PCl3,к + 332,2 кДж

        2. PCl3 + Cl2 = PCl5 + 127,2 кДж

Чему равна энтальпия образования пентахлорида фосфора?

  1. Рассчитайте теплоту гидратации Na2SO4, если известно, что растворение 1 моль Na2SO4 сопровождается выделением теплоты, равной 80,33 кДж, а теплота растворения гидратированного сульфата натрия Na2SO4 .5H2O равна –78,66 кДж.

  2. Рассчитайте теплоту диссоциации одноосновной кислоты, если тепловой эффект при ее нейтрализации раствором КОН равен +53,1 кДж/моль.

  3. Рассчитайте энтальпию образования пероксида водорода пользуясь следующими термохимическими уравнениями:

    1. H2 +O2 = H2Oж + 286,2лДж

    2. H2O2,ж = H2Oж + O2,г + 98,31кДж

Теплота образования вещества из элементов. Стандартная энтальпия образования.

Выше приведен пример вычисления теплового эффекта реакции:

С(тв) + 2 H2(г) = CH4(г) + 76 кДж/моль.

В данном случае 76 кДж - это не просто тепловой эффект данной химической реакции, но еще и теплота образования метана из элементов. Действительно, в этой реакции метан СН4 образуется именно из составляющих его элементов - углерода и водорода, а не каким-нибудь другим способом.

Известны теплоты образования самых разнообразных веществ из составляющих их элементов. Например:

CO2(г): 393,5 кДж/моль (из C и O2, энергия выделяется);

SiO2(тв): 859 кДж/моль (из Si и O2, энергия выделяется);

NaCl(тв): 411 кДж/моль (из моля Na и 0,5 моль Cl2, энергия выделяется) и т.д.

Опубликованы обширные таблицы теплот образования веществ. В чем же полезность этих величин? Дело в том, что теплоты образования веществ из элементов чрезвычайно удобны для расчета тепловых эффектов любых реакций, в которых эти вещества могли бы участвовать. Теплота любой реакции (даже пока не осуществленной на практике) может быть вычислена как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции.

Однако здесь необходимо строго соблюдать "правила игры", принятые в термохимии. Например, мы пишем: "C(тв)", но "твердый" углерод может быть как графитом, так и алмазом! В термохимических измерениях стандартным состоянием углерода считается графит, а не алмаз. Во-вторых, нужно договориться о температуре и давлении, при которых находятся вещества, поскольку эти параметры могут заметно влиять на величину теплового эффекта. Принято использовать теплоты образования соединений из чистых элементов в стандартных условиях. Такие стандартные условия чаще называют стандартным состоянием веществ:

1. Для твердых, жидких и газообразных веществ стандартное состояние определяется как наиболее распространенная форма элемента при 25 оС (298 К) и давлении 1 атмосфера (1 атм).

2. Теплота образования чистых элементов по определению равна нулю.

Например, тепловой эффект реакции взаимодействия водорода и кислорода с образованием воды (H2 + 0,5 O2 = H2O + Q) мы назовем СТАНДАРТНОЙ ТЕПЛОТОЙ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ из элементов при условии, что изначально водород и кислород находились при атмосферном давлении и температуре 25 оС, затем произошла реакция с выделением большого количества теплоты, а затем продукт реакции (вода) вновь был охлажден до 25 оС, отдав все полученное во время реакции тепло в окружающую среду. Этот тепловой эффект, как мы уже знаем, составляет 286 кДж/моль.

Термохимия является частью более обширной науки ТЕРМОДИНАМИКИ. Тепловой эффект описанной выше реакции получения воды в термодинамике принято называть ЭНТАЛЬПИЕЙ (Н) образования воды в том случае, если реакция происходит при неизменном давлении (например, в открытом сосуде). Если реакция проводится в замкнутом сосуде и давление в ходе реакции меняется, то тепловой эффект (Q) и энтальпия (Н) - не совсем одно и то же. Давайте разберемся, зачем понадобилось вводить такое понятие, как энтальпия Н (наряду с уже привычным нам тепловым эффектом) и чем они отличаются друг от друга.

Дело в том, что наиболее удобным методом измерения тепловых эффектов для химиков долгое время служил способ проведения реакций в "бомбе" - замкнутом металлическом сосуде, который помещают в калориметр. В конце предыдущего параграфа рассказывалось именно о таком эксперименте (если вы еще не прочитали об этом - вернитесь на один параграф назад). В замкнутом сосуде продукты реакции лишены возможности изменять объем, поэтому они не могут выполнить какую-нибудь МЕХАНИЧЕСКУЮ работу. В этих условиях выделившееся сквозь стенки "бомбы" тепло (назовем его Е) - это еще не вся энергия, заключавшаяся в данной реакции. Если давление в реакции возрастает, а "бомба" окажется не очень прочной, то её просто-напросто разорвет, причем на эту работу будет потрачено еще какое-то количество энергии, которое мы "не замечаем" в том случае, если "бомба" осталась цела.

Но большинство химических реакций химики проводят не при постоянном объеме (не в "бомбе"), а в открытых сосудах (т.е. при постоянном давлении). Поэтому потребовалась величина, аналогичная Е, но измеряемая для реакций в открытых сосудах. Именно такая величина называется ЭНТАЛЬПИЕЙ.

ЭНТАЛЬПИЯ - это тепловой эффект реакции, измеренный (или вычисленный) для случая, когда реакция происходит в открытом сосуде (т.е. при неизменном давлении). Обозначается как H.

Когда объем, занимаемый продуктами реакции, отличается от объема, занимаемого реагентами, химическая система может совершить дополнительную работу PV (где P - давление, а V - изменение объема). Поэтому Н и Е связаны между собой соотношением:

Н = Е + PV

Итак, если реакция проводится не в "бомбе", то ЭНТАЛЬПИЯ и ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ совпадают между собой. Энтальпию называют также "теплосодержанием". Если мы проводим реакцию получения воды в открытом сосуде, то 286 кДж/моль - это "тепло" Н, содержащееся в водороде и кислороде для случая, когда мы получаем из них воду. Поскольку исходные вещества (водород и кислород) находились в нашем опыте в стандартных условиях (25 оС и давлении 1 атм), а продукт реакции (воду) мы тоже привели к стандартным условиям, мы вправе сказать, что 286 кДж/моль - это СТАНДАРТНАЯ ТЕПЛОТА ОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ или, что то же - СТАНДАРТНАЯ ЭНТАЛЬПИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ.

Если мы будем получать из тех же элементов не воду, а перекись водорода H2O2, то "теплосодержание" такой химической системы будет иным (187,6 кДж/моль). Во время протекания реакций с образованием 1 моля воды или 1 моля H2O2 освобождается разное количество энергии, чего и следовало ожидать. В дальнейшем стандартную теплоту образования веществ мы чаще будем называть именно стандартной энтальпией образования Н. Чтобы подчеркнуть справедливость этой величины только для стандартных условий, в таблицах её обозначают следующим образом:

Но298

Маленький "нолик" рядом с Н по традиции символизирует некое стандартное состояние, а цифра 298 напоминает, что значения приведены для веществ при 25 оС (или 298 К). Стандартная энтальпия не обязательно должна быть энтальпией образования вещества из элементов. Можно получить значение стандартной энтальпии Но298 для любой химической реакции. Но в нашем случае с получением воды из водорода и кислорода мы получили именно стандартную энтальпию образования воды. Записывается это так:

H2 + 0,5 O2 = H2O (Но298 = -286 кДж/моль

Откуда взялся знак "минус" перед значением теплового эффекта? Принято потерянную любой системой энергию представлять со знаком "минус". Рассмотрим, например, систему из молекул метана и кислорода. В результате экзотермической реакции между ними происходит выделение теплоты:

СH4(г) + 2 O2(г) = СO2(г) + 2 H2О(ж) + 890 кДж



Можно записать эту реакцию и другим уравнением, где выделившаяся ("потерянная") теплота имеет знак "минус":

СH4(г) + 2 O2(г) – 890 кДж = СO2(г) + 2 H2О(ж)

По традиции энтальпию этой и других экзотермических реакций в термодинамике принято записывать со знаком "минус":

Но298 = –890 кДж/моль (энергия выделяется).

Наоборот, если в результате эндотермической реакции система поглотила энергию, то энтальпия такой эндотермической реакции записывается со знаком "плюс". Например, для уже знакомой нам реакции получения CO и водорода из угля и воды (при нагревании):

C(тв) + H2О(г) + 131,3 кДж = CO(г) + H2(г)

(Но298 = +131,3 кДж/моль)



Пример расчета теплового эффекта реакции:

Fe2O3(тв) + 3 C(графит) = 2 Fe(тв) + 3 CO(г)

Эта реакция происходит в доменной печи при очень высокой температуре (около 1500 оС). В справочниках, где используется термодинамическая шкала, можно найти стандартные теплоты образования Fe2O3 (Но298 = –822,1 кДж/моль) и СО (Но298 = – 110,5 кДж/моль). Два других вещества из этого уравнения - углерод и железо - являются элементами, то есть их теплота образования по определению равна нулю. Поэтому стандартная теплота рассматриваемой реакции равна:

Но298 = 3 (-110,5) - (-822,1) = -331,5 + 822,1 = +490,6 кДж

Итак, реакция восстановления оксида железа (III) углеродом является эндотермической (Но298 положительна!), причем на восстановление одного моля Fe2O3 тремя молями углерода надо было бы затратить 490,6 кДж, если исходные вещества до начала реакции и продукты после окончания реакции находятся в стандартных условиях (то есть при комнатной температуре и атмосферном давлении). Не имеет значения, что исходные вещества пришлось сильно нагреть для того, чтобы реакция произошла. Величина Но298 = +490,6 кДж отражает "чистый" тепловой эффект эндотермической реакции, в которой реагенты сначала разогревались внешним источником тепла от 25 до 1500 оС, а в конце реакции продукты опять остывали до комнатной температуры, отдав все тепло в окружающую среду. При этом отданного тепла будет меньше, чем пришлось потратить на разогрев, потому что часть тепла поглотилась в реакции.

Проведем тот же расчет, используя термохимическую шкалу. Допустим, известны теплоты сгорания углерода и железа в кислороде (при неизменном давлении):

1) C + 1/2 O2 = CO + 110,5 кДж

2) 2 Fe + 3/2 O2 = Fe2O3 + 822,1 кДж

Чтобы получить тепловой эффект интересующей нас реакции, умножим первое уравнение на 3, а второе перепишем в обратном порядке:

1) 3 C + 3/2 O2 = 3 CO + 331,5 кДж

2) Fe2O3 + 822,1 кДж = 2 Fe + 3/2 O2

Теперь почленно сложим оба уравнения:

3 C + 3/2 O2 + Fe2O3 + 822,1 кДж = 3 CO + 331,5 кДж + 2 Fe + 3/2 O2

После сокращения в обоих частях уравнения кислорода (3/2 O2) и переноса 822,1 кДж в правую часть получим:

3 C + Fe2O3 = 3 CO + 2 Fe – 490,6 кДж

Итак, мы получили тот же самый результат, но уже в термохимической шкале. В уравнениях для простоты мы не указывали каждый раз агрегатное состояние веществ, однако предполагали, что оно одинаковое в разных процессах. Во-вторых, в начале и в конце каждого опыта реагенты и продукты должны находиться в одинаковых (стандартных) условиях – при комнатной температуре и давлении 1 атм. Можно использовать оба способа решения термохимических задач. Однако следует помнить, что в современных задачниках чаще используется термодинамическая шкала.

ЗАДАЧИ

8. Белый фосфор и черный фосфор – две аллотропные модификации элемента фосфора. Уравнение горения фосфора в кислороде можно представить в виде:

P + 5/4 O2 = 1/2 P2O5

При стандартных условиях теплота сгорания белого фосфора равна 760,1 кДж/моль, а теплота сгорания черного фосфора равна 722,1 кДж/моль. Чему равна теплота превращения черного фосфора в белый при стандартных условиях?

9. Какие из нижеприведенных реакций являются эндотермическими?

а) 1/2 N2 + O2 = NO2; Но298 = 33,5 кДж/моль.

б) 1/2 N2 + 3/2 H2 = NH3; Но298 = -46 кДж/моль.

в) 1/2 N2 + 1/2 O2 = NO; Но298 = 90 кДж/моль.

г) H2 + 1/2 O2 = H2O; Но298 = -286 кДж/моль.

10. Сколько энергии надо затратить для разложения 9 г воды на водород и кислород в стандартных условиях?

11. Даны стандартные энтальпии следующих реакций:

H2 = H + H (Но298 = 436 кДж/моль)

Cl2 = Cl + Cl (Но298 = 243 кДж/моль)

Стандартная энтальпия образования HCl составляет -92 кДж/моль. Рассчитайте энергию связи в молекуле HCl.

12. Исходя из термохимических уравнений реакций

KClO3 = KCl + 3/2 O2 (Но298 = -49,4 кДж/моль);

KСlO4 = KCl + 2 O2 (Но298 = 33 кДж/моль),

рассчитайте Но298 для реакции: 4 KClO3 = 3 KClO4 + KCl.


следующая страница >>