Энергетика химических реакций

УРОВЕНЬ A

1. Рассчитать изменение стандартных энтальпии и энтропии химической реакции:

4HCl_(г) + O_2(г) = 2Н₂О_(г) + 2Сl_2(г) (4.1)

 

Дано: Уравнения химической реакции.

РЕШЕНИЕ:

Изменение стандартных энтальпии и энтропии химической реакции рассчитываем на основании первого следствия из закона Гесса:

 

 

=

-

=

-

где и - стандартные энтальпии образования и энтропии веществ, которые находим из таблицы стандартных термодинамических величин

	4HCl(г)	+ О2(г)	= 2Н2О(г)	+ 2Сl2(г)
, кДж/моль	4(-92,3)		2(-41,84)
, Дж/(мольК)	4(186,8)		2(188,7)	2(222,9)

тогда:

= 2(-241,84) - 4(-92,3) = -114,48 кДж

= (2·188,7 + 2·222,9) - (4·186,8 + 205) = -129 Дж/К

Ответ: = -114,48 кДж, = -129 Дж/К

2. Стандартная энтальпия реакции сгорания метанола (СН₃ОН) равна (-726,64) кДж/моль. Написать термохимическое уравнение сгорания метанола и вычислить стандартную энтальпию его образования.

 

Дано: (CH3ОН(ж)) = =-726,64 кДж/моль

(CH3ОН(ж)) -?

РЕШЕНИЕ:

Стандартной энтальпией сгорания вещества (В) называется тепловой эффект реакции полного сгорания 1 моль органического вещества до СО_2(г) и Н₂О_(ж) при стандартных условиях.

Составляем термохимическое уравнение сгорания 1 моль метанола:

1CH₃ОН_(ж)+3/2О_2(г)=СО_2(г)+2Н₂О_(ж) = -726,64 кДж/моль

Следовательно, для данной реакции = -726,64 кДж

Для определения (CH₃ОН_(ж)) используем первое следствие из закона Гесса для этой же реакции:

= (СО_2(г)) + (Н₂О_(ж)) -

- (CH₃ОН_(ж)) - (О_2(г)).

Откуда: (CH₃ОН_(ж)) = (СО_2(г))+

+ (Н₂О_(ж)) - – (О_2(г))

Значения стандартных энтальпий образования (В) веществ берем из таблицы стандартных термодинамических величин.

(CH₃ОН_(ж)) = 1(-393,5) +2(-285,8)-(- 726,64) =

= -238,46 кДж/моль.

Ответ: (CH₃ОН_(ж)) = -238,46 кДж/моль.

3. Можно ли при стандартных условиях восстановить водородом оксид хрома (III), алюминием оксид марганца (II), оксидом углерода (II) оксид ртути (II). Ответ подтвердить расчетом по значениям (В).

 

Дано: Cr2O3 + H2 MnO + Al HgO + CO

-?

РЕШЕНИЕ:

Возможность самопроизвольного про-

текания реакции при заданных усло-

виях определяется знаком величины

энергии Гиббса для соответствующей

реакции – если < 0, то самопроизвольное протекание реакции возможно, если же

> 0, то протекание данной реакции невозможно.

Значения определяем по I следствию из закона Гесса

= Σ_ni (В) - Σ _nj

^{продуктов исходных}

^{реакции веществ}

Значения (В) находим из таблицы.

Записываем уравнения протекающих реакций

Cr₂O_3(к) + 3Н_2(г) = 2Cr_(к) + 3Н₂О_(ж) (4.1)

-1059 0 0 3(-237,3)

^{кДж/моль}

= 3(-237,3) – (-1059) = 374,1 кДж

Поскольку величина положительная, то протекание реакции (4.1) невозможно.

3MnO_(к) + 2Al_(к) = Al₂O_3(к) + 3Mn_(к) (4.2)

3(-362,85) 0 -1582 0

^{кДж/моль}

= (-1582) – 3(-362,85) = - 493,45 кДж

Поскольку величина отрицательная, то протекание реакции (4.2) возможно.

HgO_(к) + CO_(г) = СО_2(г) + Hg_(ж) (4.3)

-58,4 - 137,1 -394,4 0

^{кДж/моль}

= (-394,4) – [(-58,4) + (-137,1)] = - 194,9 кДж

Поскольку величина отрицательная, то протекание реак-ции (4.3) возможно.

Аналогично определяется возможность протекания реакции в случае использования в качестве восстановителя магния.

 

УРОВЕНЬ B

1. Вычислить стандартную энтальпию растворения NaOH в воде, если при растворении 10 г NaOH в 250 мл воды температура раствора повысилась от 20⁰С до 29,7⁰С. Удельная теплоемкость раствора равна 3,99 Дж/(г·К).

 

Дано:

(NaOH) -?

РЕШЕНИЕ:

Стандартную энтальпию растворения рассчитываем по уравнению:

(NaOH) =

= , (кДж/моль)

где М_NaOH - молярная масса NaOH, г/моль,

Q_p = m_р-ра·С_р(р-ра)·(), -количество выделившейся теплоты при растворении NaOH, Дж
m_р-ра - масса раствора, г;

С_р(р-ра) – теплоемкость раствора, кДж/(г×К)
1000 - пересчет Дж в кДж.

Для рассматриваемой задачи = 29,7-20 = + 9,7⁰. При этом знак "+" указывает на повышение температуры при растворении, а знак "-" - на понижение температуры.

m_р-ра = m + m = 10+250 = 260 г.

Тогда: Q_Р = (10 + 250)·3,99·9,7 = 10062,8 Дж,

(NaOH) = ,

Ответ: (NaOH) = - 40,24 кДж/моль.

2. Найти массу метана, при полном сгорании, которого выделяется теплота, достаточная для нагревания 30 л воды от 20 до 90^оС. Мольная теплоемкость воды равна 75,3 Дж/мольК. КПД теплового агрегата составляет 40%.

Дано: Ср = 75,3 Дж/мольК КПД = 40%

РЕШЕНИЕ:

Определяем количество теплоты, необходимое для нагревания 30 л воды от 20 до 90^оС.

т.к. =

= 18 г/моль ∆t = 90 – 30 = 60К

Учитывая КПД теплового агрегата потребуется

теплоты

Такую теплоту необходимо получить при сжигании метана. Тепловой эффект реакции горения метана получим используя I следствие из закона Гесса

= Σ_ni (В) - Σ _nj

^{продуктов исходных}

^{реакции веществ}

Уравнение горения метана

СН_4(г) + О_2(г) = СО_2(г) + 2Н₂О_(г)

-74,9 0 -393,5 2(-241,84)

^{кДж/моль}

= (-393,5) + 2(-241,84) –(-74,9) = - 802,28 кДж

Так как при сгорании одного моль метана выделяется 802,28кДж, то определяем количество моль метана, которое необходимо для получения 18750 кДж теплоты.

Определяем массу метана

Ответ:

3. Испльзуя следующие термохимические уравнения:

2CO_(г) + О_2(г) = 2CO_2(г) = - 566 кДж (4.10)

2Fe_(к) + O_2(г) = 2FeO_(к) = - 529,6 кДж (4.11)

4FeO_(к) + О_2(г) = 2Fe₂O_3(к) =- 585,2 кДж (4.12)