И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 10
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16/2006

Основы термохимии. Тепловые эффекты химических реакций

План

1. Экзо- и эндотермические реакции.

2. Тепловой эффект химической реакции. Понятие об энтальпии.

3. Термохимические уравнения.

4. Закон Гесса и следствия из него.

Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии (обычно в виде теплоты). Химические реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, а реакции, протекающие с поглощением теплоты, – эндотермическими.

Например:

С + О₂ CO₂ + Q,

СaCO₃ CaO + CO₂ – Q.

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в результате химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q).

Тепловой эффект выражается в кДж или ккал

(1 ккал = 4,187 кДж). Для экзотермических реакций Q > 0, для эндотермических Q < 0.

Уравнения химических реакций, в которых записывается тепловой эффект реакции, называют термохимическими уравнениями. Величина Q указывается в правой части уравнения со знаком «+» в случае экзотермической реакции и со знаком «–» в случае эндотермической реакции. В термохимическом уравнении принято указывать агрегатные состояния реагентов и продуктов реакции, т.к. тепловой эффект реакции зависит от агрегатных состояний реагирующих веществ. По термохимическим уравнениям можно проводить различные расчеты, поскольку тепловой эффект реакции относится к мольным количествам исходных веществ и продуктов реакции. Также термохимические уравнения можно записывать с величиной изменения энтальпии (Н).

Энтальпия – термодинамическая функция, определяющая общий запас энергии системы (энергетическое состояние вещества), включая энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления. Q = –H. Размерность энтальпии – Дж/моль.

Например:

С + О₂ CO₂ – Н,

СaCO₃ CaO + CO₂ + Н.

Основной закон термохимии установлен русским ученым Г.И.Гессом в 1840 г. (закон Гесса):

тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Например:

С + 1/2О₂ CO + Q₁,

СO + 1/2О₂ CO₂ + Q₂,

С + О₂ CO₂ + Q₃;

Q₃ = Q₁ + Q₂.

Первое следствие из закона Гесса:

тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом сумм теплот образования исходных веществ (с учетом коэффициентов):

Q_р-ции = Q_{обр. прод} – Q_{обр. реаг.}

Теплота образования (Q_обр) – это теплота, которая выделяется или поглощается при образовании
1 моль сложного вещества из простых веществ при стандартных условиях. Теплоты образования простых веществ приняты равными нулю.

Стандартные условия – давление 1 атм (101,3 кПа), Т = 298К (25 °С).

Второе следствие из закона Гесса:

тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ за вычетом суммы теплот сгорания продуктов реакции (с учетом коэффициентов):

Q_р-ции = Q_{сгор. реаг} – Q_{сгор. прод.}

Теплота сгорания (Q_сгор) – это теплота, выделяющаяся при сгорании 1 моль вещества в кислороде при стандартных условиях с образованием оксида элемента в высшей степени окисления. Теплоты сгорания негорючих веществ равны нулю.

Теплоты сгорания и образования – справочные величины, они приводятся в справочных термодинамических таблицах при стандартных условиях.

1. При стандартных условиях теплота образования равна 0 для:

а) водорода;

б) воды;

в) пероксида водорода;

г) алюминия.

2. Реакция, уравнение которой

N₂ + O₂ = 2NO – Q,

относится к реакциям:

а) эндотермического соединения;

б) экзотермического соединения;

в) эндотермического разложения;

г) экзотермического разложения.

3. При взаимодействии 10 г натрия с водой выделяется 36,46 кДж теплоты. Какое количество теплоты (в кДж) выделилось, если в результате реакции образовалось 200 г гидроксида натрия?

а) 838; б) 209,5; в) 364,6; г) 419.

4. Эндотермической является реакция:

а) горения водорода; б) разложения воды;

в) горения углерода; г) горения метана.

5. Известны тепловые эффекты следующих процессов:

2С₂Н₂ (г.) + 5О₂ (г.) = 4СО (г.) + 2Н₂О (ж.) + 2600 кДж,

Н₂О (ж.) = Н₂О (г.) – 40 кДж.

Какую массу воды (в г), находящейся при температуре кипения, можно испарить за счет теплоты, полученной при полном сгорании 89,6 л (н.у.) ацетилена?

а) 72; б) 1170; в) 2340; г) 4680.

6. Какое определение неверно для данной реакции:

2NaNO₃ (тв.) = 2NaNO₂ (тв.) + O₂ (г.) – Q?

а) Гомогенная;

б) эндотермическая;

в) реакция соединения;

г) окислительно-восстановительная.

7. Даны теплоты реакций:

С + 1/2О₂ = СО + 110 кДж,

2СО + О₂ = 2СО₂ + 566 кДж.

Определить теплоту образования углекислого газа из простых веществ (в кДж/моль).

а) 346; б) 786; в) 503; г) 393.

8. Дано термохимическое уравнение:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ + 198 кДж.

В результате реакции выделилось 495 кДж теплоты. Какая масса (в г) сернистого газа прореагировала с кислородом?

а) 160; б) 640; в) 320; г) 320.

9. Теплота сгорания ацетилена – 1300 кДж/моль. Какое количество теплоты (в кДж) выделится при сгорании 1л ацетилена (в пересчете на н.у.)?

а) 58; б) 116; в) 1300; г) 58 000.

10. Основным законом термохимии является закон:

а) Гей-Люссака; б) Гесса;

в) Авогадро; г) Пруста.

Ключ к тесту

Задачи на основные термохимические расчеты

1. Вычислить теплоту реакции получения гидроксида кальция из оксида кальция и воды, если теплота образования оксида кальция равна +635,7 кДж/моль, теплота образования воды равна +285,8 кДж/моль, а теплота образования гидроксида кальция равна +986,8 кДж/моль.

Решение

Ответ. 65,3 кДж/моль.

2. Найти теплоту образования угарного газа, если теплота образования углекислого газа равна +393,8 кДж/моль, а теплота реакции получения углекислого газа из угарного газа и кислорода равна +283,2 кДж/моль.

Ответ. +110,6 кДж/моль.

3. Теплота сгорания графита составляет +393,8 кДж/моль, а теплота сгорания алмаза равна
+395,7 кДж/моль. Определить теплоту превращения графита в алмаз.

Ответ. –1,9 кДж/моль.

4. Теплота образования бромоводорода равна +36 кДж/моль, теплота образования йодоводорода равна +12,6 кДж/моль. Рассчитать тепловой эффект реакции взаимодействия йодоводорода с бромом.

Ответ. +23,4 кДж/моль.

5. Теплота образования углекислого газа равна +393,8 кДж/моль, теплота образования воды равна
+285,8 кДж/моль, теплота сгорания этилена равна +1402 кДж/моль. Вычислить теплоту образования этилена.

Ответ. –42,8 кДж/моль.

6. Определить тепловой эффект реакции разложения 1 моль известняка, если при образовании 10 г карбоната кальция из оксида кальция и углекислого газа выделяется 16 кДж теплоты.

Ответ. –160 кДж/моль.

7. Термохимическое уравнение реакции горения метана имеет вид:

СН₄ (г.) + 2О₂ (г.) = СО₂ (г.) + 2Н₂О (г.),

Н = –802,2 кДж.

Найти, какое количество теплоты выделится при сгорании 44,8 л (н.у.) метана.

Ответ. 1604,4 кДж.

8. При соединении 11,16 г железа с серой выделилось 20,06 кДж теплоты. Определить теплоту образования сульфида железа.

Ответ. 100,3 кДж/моль.

9. Термохимическое уравнение реакции окисления водорода имеет вид:

Н₂ (г.) + 1/2О₂ (г.) = Н₂О (г.),

Н = –241,8 кДж.

Определить количество теплоты, выделяющейся при взрыве 8,4 л (н.у.) гремучего газа.

Ответ. 60,45 кДж.

10. При сгорании этилена выделилось 6226 кДж теплоты. Найти объем (н.у.) кислорода, вступившего в реакцию, если тепловой эффект данной реакции составляет 1410,9 кДж. Ответ. 296,5 л.

11. Окисление глюкозы в организме может протекать по реакции:

С₆Н₁₂О₆ (тв.) + 6О₂ (г.) = 6СО₂ (г.) + 6Н₂О (ж.),

Н = –2803 кДж.

Какое количество теплоты выделится при окислении 800 г глюкозы?

Решение

Ответ. 12 458 кДж.

12. При стандартных условиях теплота полного сгорания белого фосфора равна 760,1 кДж/моль, а теплота полного сгорания черного фосфора равна 722,1 кДж/моль. Определить теплоту превращения черного фосфора в белый при стандартных условиях.

Ответ. –38 кДж/моль.

13. При сжигании уксусной кислоты в кислороде выделилось 235,9 кДж теплоты и осталось 10 л непрореагировавшего кислорода (измерено при давлении 104,1 кПа и температуре 40 °С). Рассчитать массовые доли компонентов в исходной смеси, если теплоты образования углекислого газа, паров воды и уксусной кислоты равны соответственно 393,5 кДж/моль, 241,8 кДж/моль и
484,2 кДж/моль.

Ответ. 36% СН₃СООН и 64% О₂.

14. 48 г минерала, содержащего 46,7% железа и 53,3% серы по массе, сожгли в избытке кислорода, а твердый продукт сгорания прокалили с 18,1 г алюминия. Какое количество теплоты выделилось в результате каждого из этих процессов, если известно, что реакции проводились при постоянной температуре, а теплоты образования при данной температуре таковы: сульфид железа – 174 кДж/моль, оксид железа(III) – 824 кДж/моль, сернистый газ – 297 кДж/моль, оксид алюминия – 1675 кДж/моль?

Ответ. 332,8 кДж и 170,2 кДж.

15. Тонко измельченную смесь алюминия и железной окалины (термит) применяют для сварки металлических изделий, поскольку при ее поджигании выделяется большое количество теплоты и развивается высокая температура. Рассчитать минимальную массу термитной смеси, которую необходимо взять для того, чтобы выделилось 665,3 кДж теплоты в процессе алюмотермии, если теплоты образования железной окалины и оксида алюминия равны 1117 кДж/моль и 1670 кДж/моль соответственно.

Ответ. 182,4 г.