Пример 1. Вычисление энтальпий образования веществ и тепловых эффектов химических процессов

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА № 2 по ХИМИИ

Раздел 1. Обучающие примеры с алгоритмами решения по теме

«Энергетические эффекты химических процессов. Термохимические расчёты»

Пример 1. Вычисление энтальпий образования веществ и тепловых эффектов химических процессов

1. Стандартная энтальпия образования газообразного озона равна 142, 3 кДж/моль. Укажите, в какой из перечисленных ниже реакций тепловой эффект Δ H⁰_обр будет соответствовать стандартной энтальпии образования О₃(г):

а) 3О(г) = О₃(г); б) 1, 5О₂(г) = О₃(г); в) О₂(ж) + О(г) = О₃(г); г) 2О₂(г) = О(г) + О₃(г).

Напишите термохимическое уравнение этого процесса.

Решение. По определению, Δ H⁰ показывает тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества О₃(г) прямым синтезом из простых веществ, устойчивых при 298К и давлении 101кПа. Случай г) не подходит под данное определение, т.к. не соответствует реакции синтеза. Случай в) не отвечает требованию стандартных условий, т.к. при 298К и давлении 101кПа кислород не может находиться в жидком состоянии. Случай а) также должен быть исключен, т.к. атомарный кислород О(г) не является устойчивой формой существования простого вещества кислорода. Таким образом, требованиям определения соответствует только реакция б). Термохимическое уравнение будет выглядеть следующим образом:

О₂(г) + ½ О₂(г) = О₃(г); Δ H⁰_обр[О₃(г)] = 142, 3 кДж/моль.

Ответ: условиям задачи соответствует уравнение б); Δ H⁰_обр[О₃(г)] = 142, 3 кДж/моль.

2. При сгорании кальция массой 8г количество выделившейся энергии составило 127кДж. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

Решение. Составим вначале химическое уравнение реакции горения металла в кислороде: 2Са + О₂ = 2СаО. Термохимическое уравнение отличается от химического тем, что в нем указаны агрегатные состояния реагентов и продуктов, а также тепловой эффект процесса. Следовательно, нашему случаю будет соответствовать термохимическое уравнение следующего вида:

2Са(т) + О₂(г) = 2СаО(т), Δ H = Х кДж.

В этом уравнении искомому тепловому эффекту соответствуют 2 моль кальция.

А по условию задачи, в реакцию вступили 8 г кальция, что соответствует количеству вещества n_Са = m(Ca)/M(Ca); n_Ca = 8г/40г/моль = 0, 2 моль. Вычисляем количество энергии, которое выделится при сгорании 2 моль кальция, используя пропорцию: 0, 2 моль Са ― –127 кДж

2 моль Са ― Х кДж Х = 2моль· (–127кДж)/0, 2моль = –1270кДж. Таким образом, при сгорании 2 моль металлического кальция выделяется 1270 кДж энергии.

Ответ: 2Са(т) + О₂(г) = 2СаО(т), Δ H = –1270 кДж.

3. Вычислите стандартную энтальпиюобразования бензола С₆Н₆(ж), если энтальпии сгорания водорода, углерода и бензола равны соответственно (кДж/моль): -285, 84: -393, 51; -3267, 70.

Решение. Запишем уравнение реакции, тепловой эффект которой необходимо определить. Образование бензола из простых веществ можно представить следующим термохимическим уравнением:

6С(т) + 3Н₂(г) = С₆Н₆(ж), Δ H⁰_обр[С₆Н₆(ж)] = Х кДж/моль.

Для определения энтальпии образования бензола составим цикл Гесса, используя данные задачи:

Н₂(г) + ½ О₂(г) = Н₂О(ж), Δ H⁰₁ = -285, 84 кДж/моль; (1)

С(т) + О₂(г) = СО₂(г), Δ H⁰₂ = -393, 51 кДж/моль; (2)

С₆Н₆(ж) + 15/2О₂(г) = 6СО₂(г) + 3Н₂О(ж), Δ H⁰₃ = -3267, 70 кДж/моль. (3)

Чтобы получить искомое уравнение образования бензола из простых веществ, достаточно сложить в цикле Гесса уравнения (1) и (2), умножив их на соответствующие коэффициенты 3 и 6, и вычесть из них уравнение (3):

3Н₂(г)+3/2О₂(г)+6С(т)+6О₂(г)-С₆Н₆(ж)-15/2О₂(г) =3Н₂О(ж)+6СО₂(г)-6СО₂(г)-3Н₂О(ж).

Сократим однородные члены и перенесем -С₆Н₆(ж) в правую часть равенства с противоположным знаком. Получим искомое уравнение: 6С(т) + 3Н₂(г) = С₆Н₆(ж).

Аналогичные действия проделаем с тепловыми эффектами:

Δ H⁰_обр[С₆Н₆(ж)] = 3Δ H⁰₁ + 6Δ H⁰₂ – Δ H⁰₃,

Δ H⁰_обр[С₆Н₆(ж)] =3·(-285, 84) кДж/моль + 6·(-393, 51) кДж/моль – (-3267, 70) кДж/моль = (-857, 52 -2361, 06 + 3267, 70) кДж/моль = 49, 12 кДж/моль.

Ответ: Δ H⁰_обр[С₆Н₆(ж)] = 49, 12 кДж/моль.

4. Используя значение стандартных энтальпий образования участников химического процесса, определите количество энергии, выделяющейся при восстановлении оксидом углерода 100кг диоксида свинца до оксида с образованием диоксида углерода.

Решение. Запишем термохимическое уравнение реакции, тепловой эффект которой необходимо определить:

PbO₂(т) + CO(г) = PbO(т) + CO₂(г), Δ H⁰ = Х кДж/моль.

Согласно 3-му следствию из закона Гесса, тепловой эффект процесса определяется по разности сумм энтальпий образования продуктов и реагентов. Используя данные таблицы 1 Приложения, найдем значения искомых энтальпий (кДж/моль):

Δ H⁰_обр[PbO₂(т)] = -276, 86; Δ H⁰_обр[CO(г)] = -110, 50; Δ H⁰_обр[PbO(т)] = - 217, 86; Δ H⁰_обр[CO₂(г)] = -393, 51.

Составим цикл Гесса для расчета теплового эффекта реакции восстановления диоксида свинца монооксидом углерода:

Δ H⁰ = {Δ H⁰_обр[PbO(т)] + Δ H⁰_обр[CO₂(г)]} – {Δ H⁰_обр[PbO₂(т)] + Δ H⁰_обр[CO(г)]}

и, подставив известные значения, рассчитаем его:

Δ H⁰ = [(- 217, 86) кДж/моль + (-393, 51) кДж/моль] – [(-276, 86) кДж/моль + (-110, 50) кДж/моль] = -224, 01 кДж/моль.

Расчеты показали, что при восстановлении 1 моля PbO₂ выделяется 224, 01 кДж энергии. Определим, какой массе диоксида свинца соответствует это количество вещества:

m(PbO₂) = n·M(PbO₂) = 1моль·(207 + 2·16)г/моль = 239г.

Теперь вычислим количество энергии, которое выделится при сгорании 100кг PbO₂, используя пропорцию:

239·10^-3кг ― -224, 01 кДж

100кг ― Х кДж, Х = 100кг·(-224, 01)кДж/239·10^-3кг = -93728 кДж.

Ответ: при восстановлении 100кг диоксида свинца выделяется 93728 кДж энергии.

5. Энергия связи С― Н в метане равна 435 кДж/моль, связи С― Cl в хлорметане – 350 кДж/моль. Зная, что Е_{Cl― Cl} = 240 кДж/моль, а Е_{H― Cl} = 430 кДж/моль, рассчитайте тепловой эффект (Δ H⁰) реакции: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl.

Решение. Энтальпии образования химических веществ можно рассчитать по энергиям связей, которые в этих веществах образуются. Например, в молекуле метана образуется 4 ковалентные связи С― Н, следовательно,

Δ H⁰_обр(СН₄) = 4·[E_{C― H}], и Δ H⁰_обр(СН₄) = 4·435 кДж/моль = 1740 кДж/моль. Аналогичные расчеты проведем и для всех остальных молекул:

Δ H⁰_обр(Сl₂) = 3·[Е_{Cl― Cl}] = 3·240 кДж/моль = 720 кДж/моль (см. теорию образования дативной связи, в молекуле Cl₂ – тройная связь);

Δ H⁰_обр(HCl) = Е_{H― Cl} = 430 кДж/моль;

Δ H⁰_обр(СН₃Cl) = 3·[E_{C― H}] + E_{C― Cl} = 3·435 кДж/моль + 350 кДж/моль = 1655 кДж/моль.

Теперь по 3-му следствию из закона Гесса рассчитаем тепловой эффект искомой реакции:

Δ H⁰ = [Δ H⁰_обр(СН₃Cl) + Δ H⁰_обр(HCl)] - [Δ H⁰_обр(СН₄) + Δ H⁰_обр(Сl₂)] и

Δ H⁰ = (1655 + 430) – (1740 + 720) кДж/моль = -375 кДж/моль.

Ответ: тепловой эффект экзотермического процесса хлорирования метана с образованием хлорметана равен Δ H⁰ = -375 кДж/моль.