Химическая термодинамика (стр. 2 из 4)

5) Какие химические реакции называются экзотермическими и эндотермическими? Приведите примеры.

6) Почему для конденсированных систем разница между изменением энтропии и изменением внутренней энергии мала, а для газообразных значительна? Напишите уравнение, выражающее связь между тепловым эффектом при постоянном давлении и тепловым эффектом при постоянном объеме.

7) Дайте определение понятиям: «теплота образования», «теплота разложения», «теплота растворения», «теплота сгорания», «теплота нейтрализации».

8) Почему при определении теплот растворения на 1 моль различных растворенных веществ берется различное количество молей растворителя?

9) Сформулируйте закономерности, установленные для теплот образования химических соединений.

10) Чем объяснить постоянство теплот нейтрализации сильной кислоты сильным основанием?

11) Одинаковый ли тепловой эффект будет при: а)нейтрализации серной кислоты едким натром, б) нейтрализации серной кислоты раствором аммиака? Дайте объяснение.

12) Будет ли наблюдаться выделение или поглощение теплоты при сливании разбавленных растворов: а) хлорида калия и бромида натрия, б) хлорида калия и нитрата серебра, в) сульфата натрия и нитрата свинца, г) хлорида кальция и нитрата натрия?

13) Как зависит тепловой эффект химической реакции от температуры? Напишите математическое выражение закона Кирхгофа. В каких случаях тепловой эффект химической реакции не зависит от температуры? Почему?

2.2 Примеры

Пример 2-1

Количество теплоты, выделенной при горении в стандартных условиях 2 г водорода в кислороде с образованием жидкой воды, равно 286 кДж. Чему равен тепловой эффект реакции при постоянном объеме?

Решение:

Находим количество водорода: n = m/М, n = 2/2 моль = 1 моль

Записываем уравнение реакции:

Н_2(г) + 0,5О_2(г) = Н₂О_(ж), DН= -286 кДж, Т = 298 К

Тепловой эффект при постоянном объеме характеризуется изменением внутренней энергии (Q_v = DU). DU в данной реакции можно рассчитать следующим образом:

DU = DН – рDV = DН - DnRT,

DU = -286*10³ -(-3)*8,314*298 Дж = 278567 Дж

Ответ: 278,567*10³ кДж

Пример 2-2

Рассчитайте энтальпию образования сульфата цинка из простых веществ при Т = 298 К на основании следующих данных:

ZnS = Zn + S, DН₁⁰ = 200,5 кДж моль^-1,

2ZnS + 3О₂ = 2ZnO + 2SO₂, DН₂⁰ = -893,5 кДж моль^-1,

2SO₂ + О₂ = 2SO₃, DН₃⁰ = -198,2 кДж моль^-1,

ZnSO₄ = ZnO + SO₃, DН₄⁰ = 235,0 кДж моль^-1.

Решение:

Закон Гесса позволяет обращаться с термохимическими уравнениями как с алгебраическими

Множитель

ZnS = Zn + S, DН₁⁰=200,5 кДж моль^-1 -1

2ZnS+3О₂=2ZnO+2SO₂, DН₂⁰=-893,5кДж моль^-1 0,5

2SO₂ + О₂ = 2SO₃, DН₃⁰=-198,2кДж моль^-1 0,5

ZnSO₄ = ZnO + SO₃, DН₄⁰=235,0кДжмоль^-1 –1

Zn + S + ZnS + 1,5О₂ + SO₂ + 0,5О₂ + ZnO + SO₃ = ZnS + ZnO + + SO₂ + SO₃ + ZnSO₄ÞZn + S + 2О₂ = ZnSO₄

DН_f⁰(ZnSO₄) = -1DН₁⁰ + 0,5DН₂⁰ + 0,5DН₃⁰ - 1DН₄⁰,

DН_f⁰(ZnSO₄)=-200,5+0,5(-893,5)+0,5(-198,2)–235,0 =

= 981,35кДж моль^-1

Ответ: 981,35 кДж моль^-1

Пример 2-3

Пользуясь справочными данными, рассчитайте энтальпию реакции:

3Сu_(ТВ)+8H(NO₃)_2(aq)=3Сu(NO₃)_2(aq)+2NO_(г)+4H₂O_(ж) при 298 К.

Решение:

Сокращенное ионное уравнение реакции имеет вид:

3Cu_(ТВ)+8H⁺_(aq)+2NO₃^ˉ_(aq)=3Сu²⁺_(aq)+2NO_(г)+4Н₂О_(ж),

по закону Гесса, энтальпия реакции равна:

D_rН⁰=4D_fН⁰(Н₂О_(ж))+2D_fН⁰(NO_(г))+3D_fН⁰(Сu²⁺_(aq))-2D_fН⁰(NO₃^ˉ_(aq))

(энтальпии образования меди и иона Н⁺ равны, по определению, нулю).

Подставляя значения энтальпии образования из справочника находим:

D_rН⁰=(4(-285,8)+2·90,25+3·64,77–2(-205,0))кДж=-358,4кДж,

(в расчете на три моля меди).

Ответ: -358,4 кДж

Пример 2-4

Рассчитайте энтальпию сгорания метана при 1000 К, если даны энтальпии образования при 298 К:

D_fH°(СН₄) = -17,9 ккал/моль,

D_fH°(СО₂) = -94,1 ккал/моль,

D_fH°(Н₂О) = -57,8 ккал/моль.

Теплоемкости газов (в кал*моль^-1*К^-1) в интервале от 298 до 1000 К равны:

С_р(СН₄)= 3,422 + 0,0178*Т, С_р(О₂) = 6,095 + 0,0033*Т,

С_р(СО₂) = 6,369 +0,0102*Т, С_р(Н₂О_(г)) =7,188 +0,0024*Т

Решение:

Энтальпия реакции сгорания метана СН_4(г) + 2О_2(г) = СО_2(г) + Н₂О_(г) при 298 К равна:

D_rH°₂₉₈ = -94,1 + 2(-57,8) – (-17,9) = -191,8 ккал/моль.

Найдем разность теплоемкостей как функцию температуры:

DС_р = С_р(СО₂) + 2 С_р(Н₂О_(г)) - С_р(СН₄) - 2С_р(О₂),

DС_р = 5,16 – 0,0094Т (кал*моль^-1*К^-1).

Энтальпию реакции при 1000 К рассчитаем по уравнению Кирхгофа:

D_rH°₁₀₀₀ = D_rH°₂₉₈ +

,

D_rH°₁₀₀₀=(-191800+5,16(1000–298)–0,0094(1000²–

- 298²)/2) кал*моль^-1 = -192500 кал*моль^-1.

Ответ: -192500 кал*моль^-1.

2.3 Задачи

2-1. Определите тепловой эффект реакции:

Al₂O_корунд + 3SO₃ = Al₂(SO₄)_{3 кр} +DU_C, если реакция протекает при 298 К в автоклаве при постоянном объеме, а тепловой эффект реакции при р = const равен –573,4 кДж. (-566,0*10³кДж)

2-2. Стандартная энтальпия реакции:

СаСО₃(тв) = СаО(тв) + СО₂(г),

протекающей в открытом сосуде при температуре 1000 К, равна 169 кДж моль^-1. Чему равна теплота этой реакции, протекающей при той же температуре, но в закрытом сосуде? (160,7 кДж*моль^-1)

2-3. Рассчитайте энтальпию образования N₂О₅(г) при

Т = 298 К на основании следующих данных:

2 NО(г) + О₂(г) = 2NО₂(г), DН₁⁰ = -114,2 кДж моль^-1,

4NО₂(г) + О₂(г) = 2N₂О₅(г), DН₂⁰ = -110,2 кДж моль^-1,

N₂(г)+ О₂(г) = 2NО(г), DН₃⁰ = 182,6 кДж моль^-1.

(13,3 кДж*моль^-1)

2-4. Реакция горения ацетилена при стандартных условиях выражается уравнением:

С₂Н₂+2,5О₂=2СО₂+Н₂О_ж –1300кДж.

Определите теплоту образования ацетилена при постоянном давлении (226,5 кДж).

2-5. Стандартные энтальпии образования жидкой и газообразной воды при 298 К равны -285,8 и -241,8 кДж моль^-1 соответственно. Рассчитайте энтальпию испарения воды при этой температуре. (44,0 кДж моль^-1)

2-6. Рассчитайте стандартный тепловой эффект реакции:

CаSO_4(ТВ) + Na₂CO_3(aq) = CaCO_3(ТВ) + Na₂CO_3(aq) при 298 К, если D_fН⁰₂₉₈ (CаSO_4(ТВ)) = -1434 кДж моль^-1(-5,0 кДж моль^-1)

2-7. Известны тепловые эффекты следующих реакций:

СН₃СООC₂Н_5(ж)+ОН^¯_(aq)=СН₃СОО^¯_(aq)+C₂Н₅ОН_(ж),D_rН⁰₂₉₈=-54,7кДжмоль^-1;

Н₃СООН_(ж)+ОН^¯_(aq)=СН₃СОО^¯_(aq)+Н₂О_(ж);D_rН⁰₂₉₈=-57,3кДжмоль^-1;

СН₃СООC₂Н_5(ж)+2Н_2(г)=2C₂Н₅ОН_(ж),

D_rН⁰₂₉₈=-76,4кДжмоль^-1.

Рассчитайте тепловой эффект реакции:

C₂Н₅ОН_(ж) + О_2(г) = СН₃СООН_(ж) + Н₂О_(ж), если энтальпия образования жидкой воды равна -285,8 кДж моль^-1.(-492,6 кДж моль^-1)

2-8. На сколько градусов повысится температура при растворении 0,5 моль серной кислоты в 400 г воды, если теплота растворения серной кислоты равна -74,94 кДж, а удельная теплоемкость раствора равна 3,77 Дж/г·град? (22,14°С)

Тепловой эффект растворения безводного сульфата лития равен –26,71 кДж моль^-1. Тепловой эффект растворения кристаллогидрата Li₂SO₄*H₂O равен –14,31 кДж моль^-1 при

298 К. Вычислите тепловой эффект образования Li₂SO₄*H₂O из безводной соли и воды. Определите процентное содержание воды в частично выветренном кристаллогидрате сульфата лития, если тепловой эффект растворения 1 кг этой соли равен –0,146*10³ кДж. (-12,40 кДж·моль^-1)

Рассчитайте изменение энтальпии при нагревании 2 кг

a-SiO₂ от 298 до 800 К, если зависимость теплоемкости от температуры выражается уравнением:

С⁰_р = 46,94 +34,31*10^-3Т – 11,3*10⁵ /Т².

(1,0212·10⁶ Дж)

Зависимость теплового эффекта реакции Н_2(г) + ½ О_2(г) = Н₂О_(г) от температуры выражается уравнением:

D_rH°_Т (Дж/моль) = -237,65*10³ – 13,01Т + 2,88*10^-3Т² –1,71. Рассчитайте изменение теплоемкости DС_рDС_Vдля этой реакции при 800 К. (DС_р = -8,14 Дж моль^-1К^-1, DС_V= -3,98 Дж моль^-1К^-1)

Определите тепловой эффект химической реакции СН₃ОН_(г) + 3/2О₂ = СО₂ + 2Н₂О_(г) при 500 К и стандартном давлении. При расчете воспользуйтесь средними теплоемкостями веществ в интервале температур от 298 до 500 К. (-673,29 кДж)

Стандартная энтальпия образования формальдегида при 25°С равна –108,6 кДж/моль. Рассчитайте стандартную энтальпию образования формальдегида при 150°С, если известны теплоемкости: (-110,7 кДж моль^-1)

Вещество	С(графит)	Н2(г)	N2(г)	С2Н5N(г)
Ср,Дж*моль-1*К-1	8,53	28,82	29,13	53,10

Глава3. Второй закон термодинамики

3.1 Вопросы и упражнения