Приведём пример термохимических расчётов.
Пример:
вычислите количество теплоты, выделяющейся при полного сгорания этилена объёмом (6,72)
дм3
(н. у.). Термохимическое уравнение реакции:
.
Для решения задачи:
1. вычислим химическое количество прореагировавшего этилена:
.
2. Найдём теплоту, которая выделится при сгорании этилена.
По термохимическому уравнения реакции видим, что в при сгорания (1) моль этилена выделяется (1400) кДж теплоты.
- Составим пропорцию:
при сгорании (1) моль этилена выделяется (1400) кДж,
при сгорании (0,3) моль этилена выделяется (x) кДж.
- Найдём (x):
.
Ответ: (Q’ = 420) кДж.
Значит, с помощью термохимического уравнения можно вычислить, сколько теплоты будет выделяться или поглощаться, если в реакции определённое количество вещества.
Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения.
Химические реакции протекают либо с выделением теплоты, либо с поглощением теплоты.
Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (теплота указывается со знаком «+»). Эндотермические реакции – с поглощением теплоты (теплота Q указывается со знаком «–»).
Тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы вследствие протекания химической реакции и превращения исходных веществ (реагентов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.
При протекании химических реакций наблюдаются некоторые закономерности, которые позволяют определить знак теплового эффекта химической реакции:
- Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.
Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:
C + O2 = CO2 + Q
- Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.
Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:
2KNO3 → 2KNO2 + O2 – Q
- Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты. Устойчивость можно примерно определить по активности и стабильности вещества при обычных условиях. Как правило, в быту нас окружают вещества сравнительно устойчивые.
Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды. Следовательно, реакция экзотермическая:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + Q
Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях).
Количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.
В термохимии используются термохимические уравнения. Это уравнение реакции с указанием количества теплоты, выделившейся в ней (на число моль вещества, равное коэффициентам в уравнении).
Например, рассмотрим термохимическое уравнение сгорания водорода:
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г) + 484 кДж,
Из термохимического уравнения видно, что 484 кДж теплоты выделяются при сгорании 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Также можно сказать, что при образовании 2 моль воды выделяется 484 кДж теплоты.
Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.
Например, при сгорании алюминия:
2Аl + 3/2О2 → Аl2О3 + 1675 кДж
теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль. Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:
4Аl + 3О2 → 2Аl2О3 + 3350 кДж
теплота образования Al2O3 все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохъимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.
Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.
Например, при горении метана:
СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О + 802 кДж
теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.
Разберемся, как решать задачи на термохимические уравнения (задачи на термохимию) из ЕГЭ. Для этого разберем несколько примеров термохимических задач.
1. В результате реакции, термохимическое уравнение которой:
N2 + O2 → 2NО – 180 кДж
получено 98 л (н.у.) оксида азота (II). Определите количество теплоты, которое затратили при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых.).
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что на образование 2 моль оксида азота (II) потребуется 180 кДж теплоты. 2 моль оксида азота при н.у. занимают объем 44,8 л. Составляем простую пропорцию:
на получение 44,8 л оксида азота (II) затрачено 180 кДж теплоты,
на получение 98 л оксида азота затрачено х кДж теплоты.
Отсюда х= 180*98/44,8 = 393,75 кДж. Округляем ответ до целых, как требуется в условии: Q=394 кДж.
Ответ: потребуется 394 кДж теплоты.
2. В результате реакции, термохимическое уравнение которой
2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г) + 484 кДж,
выделилось 1452 кДж теплоты. Вычислите массу образовавшейся при этом воды (в граммах). (Запишите число с точностью до целых.)
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что при образовании 2 моль воды выделится 484 кДж теплоты. Масса 2 моль воды равна 36 г. Составляем простую пропорцию:
при образовании 36 г воды выделится 484 кДж теплоты,
при образовании х г воды выделится 1452 кДж теплоты.
Отсюда х= 1452*36/484 = 108 г.
m (H2O)=108 г.
Ответ: образуется 108 г воды.
3. В результате реакции, термохимическое уравнение которой
S(ромб) + O2(г) = SO2(г) + 296 кДж,
израсходовано 80 г серы. Определите количество теплоты, которое выделится при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых).
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что при сгорании 1 моль серы выделится 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы равна 32 г. Составляем простую пропорцию:
при сгорании 32 г серы выделится 296 кДж теплоты,
при сгорании 80 г серы выделится х кДж теплоты.
Отсюда х= 80*296/32 = 740 кДж.
Q = 740 кДж.
Ответ: выделится 740 кДж теплоты.
Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения. Расчеты теплового эффекта реакции.
Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты.
По признаку выделения или поглощения теплоты различают экзотермические и эндотермические реакции.
Экзотермические реакции – такие реакции, в ходе которых тепло выделяется (+Q).
Эндотермические реакции – реакции, при протекании которых тепло поглощается (-Q).
Тепловым эффектом реакции (Q) называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается при взаимодействии определенного количества исходных реагентов.
Термохимическим уравнением называют уравнение, в котором указан тепловой эффект химической реакции. Так, например, термохимическими являются уравнения:
Также следует отметить, что термохимические уравнения в обязательном порядке должны включать информацию об агрегатных состояниях реагентов и продуктов, поскольку от этого зависит значение теплового эффекта.
Расчеты теплового эффекта реакции
Пример типовой задачи на нахождение теплового эффекта реакции:
При взаимодействии 45 г глюкозы с избытком кислорода в соответствии с уравнением
C6H12O6(тв.) + 6O2(г) = 6CO2(г) + 6H2O(г) + Q
выделилось 700 кДж теплоты. Определите тепловой эффект реакции. (Запишите число с точностью до целых.)
Решение:
Рассчитаем количество вещества глюкозы:
n(C6H12O6) = m(C6H12O6) / M(C6H12O6) = 45 г / 180 г/моль = 0,25 моль
Т.е. при взаимодействии 0,25 моль глюкозы с кислородом выделяется 700 кДж теплоты. Из представленного в условии термохимического уравнения следует, что при взаимодействии 1 моль глюкозы с кислородом образуется количество теплоты, равное Q (тепловой эффект реакции). Тогда верна следующая пропорция:
0,25 моль глюкозы — 700 кДж
1 моль глюкозы — Q
Из этой пропорции следует соответствующее ей уравнение:
0,25 / 1 = 700 / Q
Решая которое, находим, что:
Q = 2800 кДж
Таким образом, тепловой эффект реакции составляет 2800 кДж.
Расчёты по термохимическим уравнениям
Намного чаще в заданиях ЕГЭ по термохимии значение теплового эффекта уже известно, т.к. в условии дается полное термохимическое уравнение.
Рассчитать в таком случае требуется либо количество теплоты, выделяющееся/поглощающееся при известном количестве реагента или продукта, либо же, наоборот, по известному значению теплоты требуется определить массу, объем или количество вещества какого-либо фигуранта реакции.
Пример 1
В соответствии с термохимическим уравнением реакции
3Fe3O4(тв.) + 8Al(тв.) = 9Fe(тв.) + 4Al2O3(тв.) + 3330 кДж
образовалось 68 г оксида алюминия. Какое количество теплоты при этом выделилось? (Запишите число с точностью до целых.)
Решение
Рассчитаем количество вещества оксида алюминия:
n(Al2O3) = m(Al2O3) / M(Al2O3) = 68 г / 102 г/моль = 0,667 моль
В соответствии с термохимическим уравнением реакции при образовании 4 моль оксида алюминия выделяется 3330 кДж. В нашем же случае образуется 0,6667 моль оксида алюминия. Обозначив количество теплоты, выделившейся при этом, через x кДж составим пропорцию:
4 моль Al2O3 — 3330 кДж
0,667 моль Al2O3 — x кДж
Данной пропорции соответствует уравнение:
4 / 0,667 = 3330 / x
Решая которое, находим, что x = 555 кДж
Т.е. при образовании 68 г оксида алюминия в соответствии с термохимическим уравнением в условии выделяется 555 кДж теплоты.
Пример 2
В результате реакции, термохимическое уравнение которой
4FeS2(тв.) + 11O2(г) = 8SO2(г) + 2Fe2O3(тв.) + 3310 кДж
выделилось 1655 кДж теплоты. Определите объем (л) выделившегося диоксида серы (н.у.). (Запишите число с точностью до целых.)
Решение
В соответствии с термохимическим уравнением реакции при образовании 8 моль SO2 выделяется 3310 кДж теплоты. В нашем же случае выделилось 1655 кДж теплоты. Пусть количество вещества SO2, образовавшегося при этом, равняется x моль. Тогда справедливой является следующая пропорция:
8 моль SO2 — 3310 кДж
x моль SO2 — 1655 кДж
Из которой следует уравнение:
8 / х = 3310 / 1655
Решая которое, находим, что:
x = 4 моль
Таким образом, количество вещества SO2, образовавшееся при этом, составляет 4 моль. Следовательно, его объем равен:
V(SO2) = Vm ∙ n(SO2) = 22,4 л/моль ∙ 4 моль = 89,6 л ≈ 90 л (округляем до целых, т.к. это требуется в условии.)
Больше разобранных задач на тепловой эффект химической реакции можно найти здесь.
Термохимические
уравнения включают в себя кроме химических формул тепловой эффект реакции.
Числовое значение в уравнении реакции строго соответствует количествам веществ,
участников реакции, т.е. коэффициентам.
Благодаря этому соответствию, можно установить пропорциональные отношения между
количеством вещества или массой и количеством теплоты в этой реакции.
Например: Термохимическое уравнение разложения малахита
(CuOH)2 CO3 = 2CuO
+ H 2 O + CO 2 —
47 кДж
Мы видим, что на разложение 1
моля малахита необходимо израсходовать 47 кДж, при этом образуется 2 моля
оксида меди, 1 моль воды и 1 моль углекислого газа. Если мы затратим энергии в
2 раза больше, мы сумеем разложить 2 моля малахита, при этом получим 4 моля
оксида меди, 2 моля воды и 2 моля углекислого газа.
Аналогично
можно установить пропорциональные отношения, используя коэффициенты и молярные массы
участников реакции. 47 кДж энергии
затратится на разложение 94 г малахита, при этом выделится 160 г оксида меди,
18 г воды и 44 г углекислого газа. Пропорция несложная, но, используя массовые числа, учащиеся часто
допускают расчетные ошибки, поэтому я рекомендую решать задачи с пропорциями
через количество вещества.
Решим задачи:
Задача 1. Определите количество теплоты, которое
выделится при образовании 120 г MgO в результате реакции
горения магния, с помощью термохимического уравнения.
2 Mq + O2 = 2MqO + 1204 кДж
|
Дано: m (Mg0) = 120г Найти: Q1 -? |
Решение: 1) Определяем n = m / M n(MqO) = 120г/ 40 г/моль = 3 моль 2) Составляем По По |
Отсюда
|
3 моль* 1204кДж |
|||
|
Q1 |
= |
———————— |
= 1803 кДж |
|
2моль |
Ответ: При образовании 120г
оксида магния выделится 1803 кДж энергии.
Задача 2. В результате реакции, термохимическое
уравнение которой
2 C2H2+ 5O2 = 4CO2 +2H2O + 2610 кДж
выделилось 652,5 кДж теплоты. Определите массу сгоревшего
ацетилена.
|
Дано: Q1 = 652,5 кДж Найти: m(C2H2)-? |
Решение: 1) Установим По По условию х моль ———- 652,5 кДж Решаем
2) Определяем массу ацетилена по формуле m |
Ответ: масса сгоревшего ацетилена 13 г.
Задача 3. В
результате горения 48 г метана выделилось 2406 кДж теплоты. Составьте
термохимическое уравнение этой реакции.
|
Дано: m(CH4)= 48г Q1 = 2406 кДж Найти: Q -? |
Решение: 1. Запишем уравнение реакции горения метана в общем виде CH4+ 2O2 = CO2 +2H2O 2. Определим количество n = m / M n(CH4) = 48г/ 16 г/моль = 3 моль 3. Составляем пропорцию с учетом коэффициентов в По условию 3моля CH4 По уравнению 1 моль CH4 Решаем
Ответ: термохимическое уравнение реакции горения CH4+ 2O2 = CO2 +2H2O |
Задача 4. Какой объем
кислорода (при н.у.) выделится в результате реакции, термохимическое уравнение
которой
2KClO3 = 2KCl + 3O2 – 91 кДж,
если на разложение
бертолетовой соли было затрачено 182 кДж теплоты.
|
Дано: Q1 = 91 кДж Найти: V (O2)-? |
Решение: 1)Установим По По условию х моль ———- 182 кДж Решаем
2) Вычислим объем (Vm = 22б4 л.моль) V = n * Vm V(O2) = 6 моль * 22,4 л/моль = 134,4 л |
Ответ: объем выделившегося кислорода равен 134,4 л.
Решите самостоятельно:
1. Согласно термохимическому уравнению реакции
CH4+ 2O2 = CO2 +2H2O + 802 кДж
определите количество теплоты, выделившейся при сжигании 24
г метана.
2. Тепловой эффект реакции горения серы равен 297 кДж.
Какая масса серы сгорела, если выделилось
742,5 кДж теплоты.
3. По термохимическому
уравнению H2+ Cl2 = 2HCl + 184,36 кДж рассчитайте, какой объем затрачен на образование хлороводорода (при н.у.), если при этом
выделилось 921,8 кДж теплоты.
Проверьте
решение на тренажере