химия. Методические указания и контрольные задания для студентов заочников инженернотехнических (нехимических)

• Название: Методические указания и контрольные задания для студентов заочников инженернотехнических (нехимических)
• Анкор: химия
• Дата: 30.08.2022
• Размер: 2.15 Mb.
• Имя файла: химия.doc
• Тип: Методические указания; #656347
• страница: 2 из 16

Раздел химии, в котором изложено количественное изучение тепловых эффектов реакций, называется термохимией. Было установлено, что если при образовании соединения выделяется какое-то количество теплоты, то при разложении этого соединения в тех же условиях то же количество теплоты поглощается. Таким образом, в любом процессе соблюдается закон сохранения энергии:
Q = U + A.
Это равенство показывает, что если к системе подвести теплоту Q, то она расходуется на изменение ее внутренней энергии U = U₂  U₁ и на совершение работы A. Если давление постоянно, то Q_p = U + PV. Сумму U + PV обозначили H и назвали энтальпией (теплосодержанием) системы.

Стандартной энтальпией образования H⁰ называется изменение энтальпии в реакции образования 1 моля химического соединения из простых веществ при стандартных условиях (298 К, 101325 Па). Энтальпия образования простых веществ приравнивается к нулю.

Запишем термохимическое уравнение реакции образования хлорида меди:

Cu_(К) + Cl_2(Г) = CuCl_2(К) H⁰  ?

Мольная масса хлорида меди  134,44 г/моль. При образовании 8,10 г этой соли выделилось 13,39 кДж тепла. Чтобы найти стандартную энтальпию, рассчитаем количество теплоты, выделяющееся при образовании 134,44 г (1 моля) хлорида меди:

H⁰ = = 222,24 кДж.
Пример 2.

Вычислите теплоту образования оксида железа, исходя из уравнения

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe, H⁰ = 3326 кДж.

Энтальпия образования оксида алюминия равна 1669 кДж/моль.

Решение.

В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: «Тепловой эффект реакции зависит только от конечного и начального состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса». Часто в термохимических расчетах используется следствие из закона Гесса: «Тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом коэффициентов реакции»:

H⁰_х.р. = n  H⁰_{продуктов}  n  H⁰_{исходных веществ}.

Распишем тепловой эффект реакции восстановления железа, используя следствие из закона Гесса:

H⁰_х.р. = (9 · H⁰(Fe) + 4 · H⁰(Al₂O₃)  (8 · H⁰(Al) + 3 · H⁰(Fe₃O₄).

Поскольку энтальпии образования простых веществ равны нулю, а теп-ловой эффект реакции и энтальпия образования оксида алюминия даны в условии задачи, то можно рассчитать энтальпию образования оксида железа.

3326 = [9 · 0 + 4 · (1669)]  (2 · 0 + 3H⁰(Fe₃O₄),

H⁰(Fe₃O₄) = = 1116,7 кДж/моль.
Пример 3.

Вычислите энтальпию перехода графита в алмаз, если известно, что энтальпия образования CO₂ из графита равна  393,5 кДж/моль, а из алмаза 
395,4 кДж/моль.

Решение.

Разность энтальпий реакций, идущих от различных начальных фазовых состояний к одинаковому конечному состоянию продукта, есть энтальпия фазового перехода. Энтальпию перехода графита в алмаз измерить непосредственно невозможно, но ее можно рассчитать по разности энтальпий сгорания графита и алмаза. Распишем эти термохимические уравнения:

1. С_{(графит)} + O_{2 (Г)} = CO_2(Г), H₁ = 393,3 кДж,

2. С_(алмаз) + O_2(Г) = CO_2(Г), H₂ = 395,4 кДж,

H⁰_{превращ.} = H⁰_{сгорания С(гр.)}  H_{сгорания С(алмаза)} = H₁  H₂ =

= [(393,3)  (395,4)] = 2,1 кДж.
Задания
81. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления 1 моль Fe₂О₃ металлическим алюминием. Ответ: –847,7 ,кДж.

82. Газообразный этиловый спирт С₂H₅ОН можно получить при взаимодействии этилена С₂H₄ (г) и водяных паров. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: –45,76 кДж.

83. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа(II) водородом, исходя из следующих термохимических уравнений:

FeO (к) + СО (г) = Fe (к) + СО₂ (г); H = –13,18 кДж

СО (г)+ ¹/₂O₂ (г) = СО₂, (г); H = –283,0 кДж

Н₂ (г) + ¹/₂О₂ (г) = Н₂0 (г); H = –241,83 кДж

Ответ: +27,99 кДж.

84. При взаимодействии газообразных сероводорода и диоксида углерода образуются пары воды и сероуглерод CS₂ (г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: +65,43 кДж.

85. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО (г) и водородом, в результате которой образуются СН₄ (г) и H₂O (г). Сколько теплоты выделится при этой реакция? Ответ: 206,16 кДж.

86. При взаимодействии газообразных метана и сероводорода образуются сероуглерод CS₂ (г) и водород. Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: +230,43 кДж.

87. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлорида водорода Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия? Ответ: 78,97 кДж.

88. Вычислите энтальпию образования метана, исходя из следующих термохимических уравнений:

H₂ (г) + ¹/₂О₂ (г) = Н₂О (ж) H = –285,84 кДж

С (к) + О₂, (г) = СО₂, (г); H =.–393,51 кДж

СН₄ (г) + 2О₂, (г) = 2Н₂О (ж) + СО (г); H = –890,81 кДж

Ответ: –74,88 кДж.

89. Вычислите энтальпию образования гидроксида кальция, исходя из следующих термохимических уравнений:

Са (к) + ¹/₂О₂, (г) = СаО (к); H = –635,60 кДж

Н₂, (г) +¹/₂О₂ (г) = Н₂О (ж); H = –285,84 Дж

СаО (к) + Н₂О (ж) = Са(ОН)₂ (к); H = –65,06 кДж

Ответ; –986,50 кДж.

90. Тепловой эффект реакции сгорания жидкого бензола с образованием паров воды и диоксида углерода равен –3135,58 кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции и вычислите энтальпию образования С₆Н₆(ж).
Ответ: +49,03 кДж.

91. При взаимодействии трех молей оксида азота N₂O с аммиаком образуются азот и пары воды. Тепловой эффект реакции равен –877,76 кДж. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите энтальпию образования
N₂O (г). Ответ: +81,55 кДж.

92. При сгорании газообразного аммиака образуются пары воды и оксид азота NO (г). Напишите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив, ее тепловой эффект в расчете на 1 моль NH₃ (г). Ответ: –226,18 кДж.

93. Реакция горения метилового спирта выражается термохимическим, уравнением:

СН₃ОН (ж) + ³/₂О₂ (г) = СО₂, (г} + 2Н₂О (ж); H = ?
Вычислите тепловой аффект этой реакции, если известно, что мольная теплота парообразования СН₃ОН (ж) равна +37,4 кДж. Ответ: –726,62 кДж.

94. Напишите термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этилового спирта, в результате которой образуются пары воды и оксид углерода(IV). Вычислите энтальпию образования C₂H₅OH (ж), если известно, что при сгорании 11,5 г его выделилось 308,71 кДж теплоты. Ответ: –277,67 кДж.

95. Реакция горения бензола выражается термохимическим уравнением:

С₆Н₆ (ж) + 7¹/₂О₂, (г) = 6CО₂ (г) + ЗН₂О (г); H = ?

Вычислите тепловой эффект этой реакции, если известно, что мольная энтальпия парообразования бензола равна +33,9 кДж. Ответ: –3135,58 кДж.

96. Вычислите тепловой эффект и напишите термохимическое уравнение реакции горения I моль этана С₂Н₆ (г), в результате которой образуются пары воды и диоксид углерода. Сколько теплоты выделится при сгорании 1 м³ этана в пересчете на нормальные условия? Ответ: 63742,86 кДж.

97. Реакция горения аммиака выражается термохимическим уравнением:

4NH₃, (г) + ЗО₂, (г) = 2N₂, (г) + 6Н₂О (ж); H = –1530,28 кДж

Вычислите энтальпию образования NH₃ (г). Ответ: –46,19 кДж.

98. Энтальпия растворения безводного хлорида стронция SrCl₂ –47,70 кДж, а энтальпия растворения кристаллогидрата SrCl₂6H₂O +30,96 кДж. Вычислите энтальпию гидратации SrCl₂. Ответ: –78,66 кДж.

99. Энтальпии растворения сульфата меди CuSO₄ и медного купороса CuSO₄5H₂O соответственно равны –66,11 кДж и +11,72 кДж. Вычислите энтальпию гидратации: CuSO₄. Ответ: –77,83 кДж.

100. При получении молярной массы эквивалента гидроксида кальция из СaO (к) и H₂O (ж) выделяется 32,53 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции и вычислите энтальпию образования оксида кальция.
Ответ: –635,6 кДж.
Химическое сродство
Пример 1.

Вычислите изменение энтропии в реакции горения этана:

C₂H_4(Г) + 3O_2(Г) = 2CO_2(Г) + 2H₂O_(Г).

Решение.

Термодинамическая функция энтропия (S) характеризует возможные состояния вещества и их непрерывные изменения. Частицы вещества  атомы, молекулы, ионы и. т. д. совершают непрерывные колебательные и другие виды движения, переходя в каждый момент времени из одного микросостояния в другое. Чем больше таких изменений, тем больше беспорядок в системе, количественной характеристикой которого и служит энтропия.

Так, газообразное состояние более неупорядочено по сравнению с жидким, поэтому переход жидкости в газ (испарениe, кипение) сопровождается увеличением энтропии. Энтропия возрастает также в реакциях, идущих с увеличением объема, усложнением состава молекул, повышением температуры.

Чтобы можно было сравнивать энтропии различных веществ, пользуются стандартной энтропией S⁰. Величины стандартных энтропий приведены в термодинамических таблицах [14].

Энтропия, как и энтальпия, является функцией состояния, т. е. подчиняется закону Гесса и следствию из него:

S⁰_х.р. = n S⁰_{продукт.}  n S⁰_{исход. веществ.}

По условию задачи нужно вычислить S⁰ реакции горения этана. Для этого из таблицы [1] выпишем энтропии образования веществ и подставим их в уравнение:

Вещество C₂H_{4 (Г)} O_{2 (Г)} CO_{2 (Г)} H₂O_(Г),
S⁰, Дж/мольК 219,45 205,03 213,65 188,72,
S⁰_х.р. = [2S⁰(H₂O) + 2S⁰(CO₂)]  [S⁰(C₂H₄) + 3S⁰(O₂)] =

= (2  188,72 + 2  213,65)  (219,45 + 3  205,03) = 29,80 ДжK.

Пример 2.

Возможна ли в стандартных условиях реакция

4HCl + O₂ = 2H₂O + 2Cl₂?

Решение.

Для процессов, протекающих в природе самопроизвольно, характерно стремление к минимуму энергии, т. е. понижение энтальпии и стремление перейти в наиболее вероятное состояние с максимально допустимой в данных условиях степенью беспорядка, т. е. повышение энтропии.

Для реакций, протекающих при постоянном давлении и температуре, введена термодинамическая функция G  энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал), определяющая влияние энтальпии и энтропии на ход реакции. Энергия Гиббса является функцией состояния и расчет ее ведут по формулам:

G⁰_х.р. = H⁰_х.р.  T S⁰_х.р., (1)
G⁰_х.р. = n G⁰_{продукт.}  n G⁰_{исх. веществ.} (2)

По знаку и величине энергии Гиббса можно судить о направлении реакции. Если G⁰ < 0, возможно самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении; если G⁰ = 0, то в системе наступает состояние равновесия.

Чтобы ответить на вопрос, поставленный в условии задачи, необходимо рассчитать энергию Гиббса реакции горения хлороводорода. Выпишем из справочных таблиц [1] необходимые данные:
Вещество HCl _(Г) O_{2 (Г)} CI_{2 (Г)} H₂O _(Г),
H⁰, кДж/моль 92,31 0 0 241,83,
S⁰, Дж/мольК 186,68 205,03 222,95 188,72,
H⁰_х.р. = 2H⁰(H₂O) + 2H₀(Cl₂)  4H⁰(HCl) + H⁰(O₂ ) =

= (2  (241,83) + 2  0]  [4  (92,31) + 0] = 112 кДж,

S⁰_х.р. = [2S⁰(H₂O) + 2S⁰(Cl₂)]  4S⁰(HCl) + 3S⁰(O₂)] =

= (2  188,72 + 2  222,95)  (4  186,68 + 205,03) = 130 ДжK =

= 0,13 кДжК,

G⁰_х.р. = H⁰_х.р  TS⁰_х.р.,
G⁰_х.р. = (112)  298  (0,13) = 73,36 кДж.

Энергия Гиббса химической реакции меньше нуля, следовательно, в стандартных условиях эта реакция возможна.
Пример 3.

При какой температуре наступит равновесие в системе
BaO_(кр.) + 0,5 O_2(Г)  BaO_2(кр.),
если H⁰_х.р. = 81,51 кДж, а S⁰_х.р. = 0,11 кДжК?
Решение.

В состоянии равновесия энергия Гиббса равна нулю, G = H  TS, если G = 0, то H = TS. Из этого равенства можно рассчитать температуру, при которой наступит равновесие в системе:

Т_р = ; T_р = = 731,9 К или 458,9 С.

Задания
101. Энтальпии образования Н⁰₂₉₈ оксида(II) и оксида(IV) азота соответственно равны +90,37 кДж и +33,85 кДж. Определите S⁰₂₉₈ и G⁰₂₉₈ для реакций получения NO и NO₂ из простых веществ. Можно ли получить эти оксиды при стандартных условиях? Какой из оксидов образуется при высокой температуре? Почему? Ответ: +11,94 Дж/(моль К); –60,315 Дж/(моль К); +86,81 кДж;
+51,82 кДж.

102. При какой температуре наступит равновесие системы

4HCI (г)+О₂ (г)  2Н₂О (г) + 2С1₂ (г); H = –114,42 кДж?

Хлор или кислород в этой системе является более сильным окислителем и при каких температурах? Ответ: 891 К.

103. Восстановление Fe₃О₄ оксидом углерода идет по уравнению

Fe₃O₄ (к) + СО (г)  3FеO (к) + СО₂ (г).

Вычислите G⁰₂₉₈ и сделайте вывод о возможности самопроизвольного протекания этой реакции при стандартных условиях. Чему равно S⁰₂₉₈ в этом процессе? Ответ: +24,19 кДж; +31,34 ДжК.

104. Реакция горения ацетилена идет по уравнению

С₂Н₂ (г) + ⁵/₂О₂ (г) = 2СО₂ (г) + Н₂О (ж)

Вычислите G⁰₂₉₈ и S⁰₂₉₈. Объясните уменьшение энтропии в результате этой реакции. Ответ: –1235,15 кДж; –216,15 ДжК.

105. Уменьшается или увеличивается энтропия при переходах: а) воды в пар; б) графита в алмаз? Почему? Вычислите S⁰₂₉₈ для каждого превращения. Сделайте вывод о количественном изменении энтропии при фазовых и аллотропических превращениях.

Ответ: а) 118,78 Дж/(моль К); б) –3,25 Дж/(моль К).

106. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна экзотермическая реакция

Н₂ (г) + СО₂ (г) = СО (г) + Н₂О (ж); H = –2,85 кДж

Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ, определите G⁰₂₉₈ этой реакции.

Ответ: +19,91 кДж.

107. Прямая или обратная реакция будет протекать при стандартных условиях в системе

2NO (г) + O₂ (г)  2NO₂ (г)

Ответ мотивируйте, вычислив G⁰₂₉₈ прямой реакции.

Ответ:–69,70 кДж.

108. Исходя из значений стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ, вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению NH₃ (г) + HCl (г) = NH₄CI (к)

Может ли эта реакция при стандартных условиях идти самопроизвольно? Ответ: –92,08 кДж.

109. При какой температуре наступит равновесие системы

CO (г) + 2Н₂ (r)  СH₃OH (ж); Н = –128,05 кДж

Ответ: 385,5 К.

110. Эндотермическая реакция взаимодействия метана с диоксидом углерода протекает по уравнению

СH₄ (г) + СO₂ (г) = 2СО (г) + 2Н₂ (г); H = + 247,37 кДж

При какой температуре начнется эта реакция? Ответ: 961,9 К.

111. Определите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

4NH₃ (г) +5O₂ (r) = 4NO (г) + 6Н₂О (г)

Вычисления сделайте на основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ. Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: –957,77 кДж.

112. На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

СО₂ (г) + 4Н ₂ (г) = СН₄ (г) + 2H₂O (ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Ответ: –130,89 кДж.

113. Вычислите изменение энтропии в результате реакции образования аммиака из азота и водорода. При расчете можно исходить из S⁰₂₉₈ соответствующих газов, так как S с изменением температуры изменяется незначительно. Чем можно объяснить отрицательные значения S?

Ответ: –198,26 кДж/(моль К).

114. Какие из карбонатов: ВеСО₃, CaCO₃ или ВаСО₃ можно получить по реакции взаимодействия соответствующих оксидов с CO₂? Какая реакция идет наиболее энергично? Вывод сделайте, вычислив G⁰₂₉₈ реакций.

Ответ: +31,24 кДж; –130,17 кДж; –216,02 кДж.

115. На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

СО (г) + ЗН₂ (г) = СН₄ (г) + Н₂О (г)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Ответ: –142,16 кДж.

116. Образование сероводорода из простых веществ протекает по уравнению

Н₂ (г) + S (ромб.) = H₂S (г); H = –20.15 кДж

Исходя из значений S⁰₂₉₈ соответствующих веществ, определите S⁰₂₉₈ и G⁰₂₉₈ для этой реакции.

Ответ: +43,15 ДжК); –33,01 кДж.

117. На основании стандартных энтальпий образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите G⁰₂₉₈ реакции, протекающей по уравнению

С₂Н₄ (г) + 3О₂ (г) = 2СО₂ (г) + 2Н₂О (ж)

Возможна ли эта реакция при стандартных условиях?

Ответ: –1331,21 кДж.

118. Определите, при какой температуре начнется реакция восстановления Fe₃O₄, протекающая по уравнению

Fe₃О₄ (к) + СО (г) = 3FeO (к) + СО₂ (г); H = +34,55 кДж

Ответ: 1102,4 К.

119. Вычислите, при какой температуре начнется диссоциация пентахлорида фосфора, протекающая по уравнению

PCI₅ (г) = PCI₃ (г) + Cl₂ (г): H = +92,59 кДж

Ответ: 509 К.

120. Вычислите изменение энтропии для реакций, протекающих по уравнениям:

2СН₄ (г) = C₂H₂ + ЗН₂ (г)

N₂ (г) + ЗН₂ (г) = 2NH₃ (г)

С(графит) + О₂ (г) = СО₂ (г)

Почему в этих реакциях S⁰₂₉₈ >0; <0; 0? Ответ: 220,21 ДжК;
–198,26 ДжК; 2,93 ДжК.
Химическая кинетика и равновесие
Пример 1.

Как изменится скорость реакции образования аммиака N₂ + 3H₂  2NH₃, если увеличить давление в системе в два раза и увеличить объем газовой смеси в три раза?

Решение.

Для того чтобы началась химическая реакция, необходимо выполнение условия G < 0. Это условие необходимо, но недостаточно. Оно указывает на то, что нет энергетического запрета на протекание реакции, однако скорость ее может быть настолько мала, что реакция практически не идет.