Вычисление теплового эффекта реакции при постоянном объеме

Задачи

14. Вычислите стандартную энтальпию образования карбида кальция, исходя из стандартных энтальпий образования CaO(к), CO(г) и стандартной энтальпии следующей реакции:

CaO(к) + 3C(графит) = CaC₂(к)+ CO(г) D H º₂₉₈= 460 кДж/моль.

15. Определите D H °₂₉₈ реакции синтеза акриловой кислоты

CHºCH(г) + CO(г) + H₂O(ж) ® CH₂=CH-COOH(ж) D H °₂₉₈

при давлении 1,013×10⁵ Па и температуре 298 К,

а) если известны стандартные энтальпии образования веществ-участников реакции:

CHºCH(г) D H_f °₂₉₈= 226,90 кДж/моль

CO(г) D H_f °₂₉₈= -110,60 кДж/моль

H₂O(ж) D H_f °₂₉₈= -286,03 кДж/моль

CH₂=CH-COOH(ж) D H_f °₂₉₈= -382,66 кДж/моль

б) если известны стандартные энтальпии сгорания всех веществ, участвующих в реакции:

CHºCH(г) D H ° _сгор = -1300,50 кДж/моль

CO(г) D H ° _сгор = -283,18 кДж/моль

CH₂=CH-COOH(ж) D H ° _сгор = -1371,18 кДж/моль

16. Стандартные энтальпии сгорания бензола и ацетилена равны соответственно -3270 и -1302 кДж/моль. Определите стандартную энтальпию превращения ацетилена в бензол:

3С₂H₂(г)= С₆H₆(ж).

17. Стандартная энтальпия сгорания этилового спирта составляет -1409 кДж/моль. Используя справочные данные по неорганическим соединениям, вычислите D H°₂₉₈ реакции:

2CO(г) + 4H₂(г) = С₂H₅OH(ж) +H₂O(ж).

18. Стандартные энтальпии сгорания a-бутилена и бутана соответственно равны -2720,0 и -2880,3 кДж. Найти величины D H °₂₉₈ реакций

а) 4C(графит) + 4H₂(г) = C₄H₈(г),

б) 4C(графит) + 5H₂(г) = C₄H₁₀(г),

в) C₄H₈(г) + H₂(г) = C₄H₁₀(г),

если стандартные энтальпии образования CO₂(г) и H₂O(ж) соответственно равны -393,5 и -285,6 кДж.

19. Пользуясь справочными данными, найти стандартное изменение энтальпии D H° ₂₉₈ в ходе реакций (при р=1 атм, T=298K);

	NH4Cl(тв) «NH3(г)+HCl(г)		N2(г) + O2(г)«2NO(г)
	2CO(г) «CO2(г) + C(гр)		2CO(г) +2H2(г)«CH4(г)+CO2(г)
	C(гр) + H2O(г) «CO(г) + H2(г)		CO2(г) + H2(г) «CO(г) + H2O(г)
	CO(г) + H2(г) «CH2O(г)		N2O4(г) «2NO2(г)
	CH2O(г) + H2(г) «CH3OH(г)		CO(г) + Cl2(г) «COCl2(г)
	CaCO3(тв) «CaO(тв) + CO2(г)		2SO3(г) «2SO2(г) + O2(г)
	3CO(г)+2H2O(г)«CH3OH(г)+2CO2(г)		N2(г)+3H2(г)«2NH3(г)
	2NO2(г) «2NO(г) + O2(г)		2СO2(г) «2СO(г) + O2(г)

20. а) Найти стандартную энтальпию сгорания указанных веществ, взяв из справочника стандартную энтальпию образования веществ;

б) Вычислить стандартную энтальпию образования органических веществ, взяв из справочника их стандартные энтальпии сгорания:

	CH4 (г)		C5H12 (г), пентан		CH3OH (ж)
	C2H2 (г)		C6H6 (г)		CH3OH (г)
	C2H4 (г)		C6H6 (ж)		C2H5OH (ж)
	C2H6 (г)		C6H12 (г), циклогексан		C2H5OH (г)
	C3H8 (г), пропан		C6H14 (г), гексан		C2H5OH (тв)
	C4H10 (г), бутан		C6H5CH3 (г), толуол		HCOOH (ж)

21. Вычислите стандартную энтальпию реакции

2H₂S(г)+SO₂(г)=3S(ромб)+2H₂O(г),

если

H₂S(г)+3/2O₂(г)=H₂O(ж)+SO₂(г), D H°₂₉₈ = -561,8 кДж/моль

и D H°_f,298 SO₂(г), H₂O(г) и H₂O(ж) равны соответственно -296,9, -241,7 и -285,6 кДж/моль.

22. Вычислить стандартную энтальпию образования жидкого н -гептана, если его стандартная энтальпия сгорания равна -4810 кДж/моль, а стандартные энтальпии сгорания углерода и водорода соответственно равны -393 кДж/моль и -285,6 кДж/моль.

23. Стандартная энтальпия образования жидкого анилина (C₆H₅NH₂(ж)) равна 30,1 кДж/моль. Найти стандартную энтальпию сгорания паров анилина, если теплота парообразования его равна 434,9 Дж/г, а стандартные энтальпии образования CO₂(г) и H₂O(ж) соответственно равны -393,5 и -285,6 кДж/моль.

Согласно первому закону термодинамики, тепловой эффект реакции зависит от условий проведения процесса. При постоянной температуре и давлении, то есть для изобарных условий проведения реакции, теплота, поглотившаяся при прохождении 1 моля реакции, равна изменению стандартной энтальпии.

Q_p=D H°₂₉₈

Для изобарных процессов, протекающих при постоянном объеме, работа расширения не совершается, и теплота, поглотившаяся при прохождении 1 моля реакции, равна изменению внутренней энергии.

Q_V=D U°₂₉₈

Большинство химических процессов в лаборатории проводятся в открытых системах, то есть при постоянном давлении (р=const=p_атм= =1 атм=760 мм.рт.ст=101325 Па). В этом случае можно рассчитать тепловой эффект реакции, используя справочные величины стандартных энтальпий. Однако некоторые процессы проводят в закрытых системах, например в автоклаве. Величины внутренних энергий в справочниках не приводят, но мы можем рассчитать тепловой эффект изохорного процесса, используя соотношение

D H°₂₉₈ =D U°₂₉₈ +pDV.

За счет чего происходит изменение объема в ходе химической реакции? Для реакций в растворах изменение объема настолько незначительно, что мы можем принять работу расширения равной нулю, D H°₂₉₈»D U°₂₉₈. Существенное изменение объема происходит лишь в реакциях с поглощением или образованием газов. Если пренебречь объемом конденсированной фазы, то при постоянных температуре и давлении, согласно уравнению Менделеева-Клайперона, изменение объема может происходить только за счет изменения количества вещества газообразных участников реакции:

pDV=RTDn.

Таким образом, тепловой эффект при прохождении 1 моля реакции составит

Q_V=D U°₂₉₈ =D H°₂₉₈ - RTDn,

где Dn – изменение количества вещества газообразных веществ в ходе реакции.

Пример 7

Найти изменение внутренней энергии при испарении 1 моля воды при t=100°С, если удельная теплота парообразования равна 2256 кДж/кг. Считать пар идеальным газом и пренебречь объемом жидкости.

Удельные величины относят некоторое свойство к единице массы вещества (их любят применять физики), молярные величины – к 1 молю вещества (любимые понятия химиков). Поэтому если Вы загляните в справочник по физике, Вы найдете l - удельную теплоту парообразования. Если Вы загляните в справочник по химии, Вы обнаружите две величины: D H°_f,298 (H₂O(ж))= - 285,8 кДж/моль, и D H°_f,298 (H₂O(г))= - 241,8 кДж/моль. Из этих двух величин можно рассчитать, молярный тепловой эффект процесса парообразования при стандартных условиях:

H₂O(ж)= H₂O(г)

D H° ₂₉₈= - 241,8-(- 285,8)=44,0 кДж/моль.

(Для более точного расчета, требуется учесть нестандартную температуру 373 К, как это сделать, можно прочитать в параграфе 1.5)

Молярную величину можно получить и из удельной, если воспользоваться молярной массой:

D H°₃₇₃= l×m=2256 кДж/кг×18 г/моль=40,6 кДж/моль

При испарении 1 моля воды изменение количества вещества газообразных участников реакции равно Dn=+1моль на моль реакции, поэтому

D U°₃₇₃ =D H°₃₇₃ - RTDn=40,6 кДж/моль-8,31 Дж/моль×К×373К×1моль/моль=

=40,6 кДж/моль-3100Дж/моль=40,6 кДж/моль-3,1кДж/моль=

=37,5 кДж/моль.

Внимание! Не следует складывать Джоули с килоДжоулями. В обычных условиях работа расширения – небольшая величина, порядка нескольких кДж/моль. DH°₂₉₈ и DU°₂₉₈ отличаются незначительно.

Пример 8

Вычислить стандартную энтальпию образования пропана при постоянном давленииD H°_{f ,298} и стандартную внутреннюю энергию образования пропана при постоянном объеме D U°_{f ,298}, используя следующие данные:

D H°_{сгор, 298}(C₃H₈)= - 2220,0 кДж/моль;

D H°_{f ,298}(H₂O_(ж))= - 285,6 кДж/моль;

D H°_{f ,298}(CO_2(г))= - 393,5кДж/моль

Образование пропана из простых веществ можно представить уравнением

3C(графит)+4H₂(г)=C₃H₈(г) D H°_f,298 (C₃H₈(г))

По второму следствию из закона Гесса

D H°_f,298 (C₃H₈(г))=3×D H°_{f ,298}(CO_2(г))+4×D H°_{f ,298}(H₂O_(ж))- D H°_{сгор, 298}(C₃H₈)=

=3×(- 393,5)+4×(- 285,6) - (- 2220,0)= -102,9 кДж/моль

Из уравнения реакции видно, что в реагентах присутствует 4 моль газообразных продуктов, в продуктах – 1 моль, значит Dn= - 3 моль на моль пропана.

D U°_{f ,298}(C₃H₈(г))= D H°_f,298 (C₃H₈(г))- RTDn=

= - 102,9 кДж/моль-8,31 Дж/моль×К×298К×(-3)моль/моль=

= - 102,9 кДж/моль+3×2479 Дж/моль= - 102,9 кДж/моль+7,5 кДж/моль=

= -95,4 кДж/моль

Внимание! Следует учитывать разницу количества только газообразных участников реакции. Графит – не газообразен, даже если его записать, как С(г).

Дата добавления: 2015-05-09