Методические указания, программа, решение типовых задач и контрольные задания для студентов заочного отделения инженерно-технических специальностей Санкт-Петербург (стр. 9 из 33)
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 А – это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении
А = pDV, где DV – изменение объема системы (V2 – V1). Так как большинство химических реакций проходит при постоянном давлении, то для изобарно-изотермического процесса (p-const, T-const) теплота
Qp = DU + pDV,
Qp= (U2 – U1) + p(V2 – V1);
Qp = (U2 + pV2) – (U1 + pV1).
Сумма U + pV обозначим через Н, тогда:
Qp = Н2 – Н1 = DН.
Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при p=const и T=const приобретает свойство функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в изобарно-изотермическом процессе Qр равна изменению энтальпии системы DН (если единственным видом работы является работа расширения):
Qp = DН.
Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния; ее изменение (DН) 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, называют тепловыми эффектами.
При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и DН < 0
(H2 < H1), а при эндотермических энтальпия системы увеличивается и DН > 0
(H2 > H1). В дальнейшем тепловые эффекты всюду выражаются через DН.
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 (DHх.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
. (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 DН 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:
Таблица 5.
Стандартные теплоты (энтальпии)
образования DHо298 некоторых веществ
| Вещество | Состояние | DHо298, кДж/моль | Вещество | Состояние | DHо298, кДж/моль |
| С2H2 | г | +226,75 | CO | г | -110,52 |
| CS2 | г | +115,28 | CH3OH | г | -201,17 |
| NO | г | +90,37 | C2H5OH | г | -235,31 |
| C6H6 | г | +82,93 | H2O | г | -241,83 |
| C2H4 | г | +52,28 | H2O | ж | -285,84 |
| H2S | г | -20,15 | NH4Cl | к | -315,39 |
| NH3 | г | -46,19 | CO2 | г | -393,51 |
| CH4 | г | -74,85 | Fe2O3 | к | -822,10 |
| C2H6 | г | -84,67 | Ca(OH)2 | к | -986,50 |
| HCl | г | -92,31 | Al2O3 | к | -1669,80 |
Пример 2. Реакция горения этана выражается термохимическим уравнением
C2H6(г) + 3½O2 = 2 CO2(г) + 3H2O (ж); DHх.р = -1559,87 кДж
Вычислите теплоту образования этана, если известны теплоты образования СО2(г) и Н2О(ж) (табл. 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. 25оС (298 К) и 1,013×105 Па, и обозначают через DHо298. Так как тепловой эффект с температурой изменяется незначительно, то здесь и в дальнейшем индексы опускаются, и тепловой эффект обозначается через DН. Следовательно, нужно вычислить тепловой эффект реакции, термохимическое уравнение которой имеет вид:
2С (графит) + 3Н2(г) = С2Н6(г); DН = ?
исходя из следующих данных:
а) С2Н6(г) + 3 ½О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж); DН = -1559,87 кДж
б) С (графит) + О2(г) = СО2(г); DН = -393,51 кДж
в) Н2(г) + ½О2 = Н2О(ж); DН = -285,84 кДж
На основании закона Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Для получения искомого результата следует уравнение (б) умножить на 2, уравнение (а) – на 3, а затем сумму этих уравнений вычесть из уравнения (а):
С2Н6 = 3 ½О2 – 2С – 2О2 – 3Н2 – 3/2О2 = 2СО2 + 3Н2О – 2СО2 – 3Н2О
DН = -1559,87 – 2(-393,51) – 3(-285,84) = +84,67 к Дж;
DН = -1559,87 + 787,02 + 857,52; С2Н2 = 2С + 3Н2;
DН = +84,67 кДж
Так как теплота образования равна теплоте разложения с обратным знаком, то 
= -84,67 кДж. К тому же результату придем, если для решения задачи применить вывод из закона Гесса:
Учитывая, что теплоты образования простых веществ условно приняты равными нулю:
Пример 3. Реакция горения этилового спирта выражается термохимическим уравнением:
С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж); DН = ?
Вычислите тепловой эффект реакции, если известно, что мольная (молярная) теплота парообразования С2Н5ОН(ж) равна +42,36 кДж и известны теплоты образования: С2Н5ОН(г); СО2(г); Н2О(ж) (см. табл. 5).
Решение. Для определения DН реакции необходимо знать теплоту образования С2Н5ОН(ж). Последнюю находим из данных:
С2Н5ОН(ж) = С2Н5ОН(г); DН = +42,36 кДж.
+42,36 = -235,31 – 
;
= -235,31 – 42,36 = -277,67 кДж.
Вычисляем DН реакции, применяя следствия из закона Гесса:
DНх.р = 2(-393,51) + 3(-285,84) + 277,67 = -1366,87 кДж.
81.Вычислите, какое количество теплоты выделится при восстановлении Fe2O3 металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа. Ответ: 2543,1 кДж.
82.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.