Как найти теплоту образования оксида

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: 

2H_2(г) + O_2(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 

2H_2(г) + O_2(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) + O_2(г) = SO_2(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.

В уроке 21 «Теплота образования» из курса «Химия для чайников» рассмотрим что такое теплоты образования и откуда их брать; выясним, какие условия считаются стандартными, а также различия простых и сложных веществ; для закрепления полученных знаний решим пару задач, где используются теплоты образования и закон аддитивности теплот реакций. Будет неплохо, если перед прочтением данного урока, вы изучите материал про изменение энтальпии, а также про теплоты сгорания.

Благодаря закону Гесса (закону аддитивности теплот реакций) нам совсем не нужно считать теплоты всех реакций; достаточно иметь сведения о теплОтах лишь того минимума реакций, из которых можно получить все остальные. Подобный минимум, принятый всеми учеными и инженерами, представляет собой теплоты образования соединений из входящих в них чистых элементов в стандартных состояниях. А что же такое: стандартные состояния?

Стандартное состояние вещества

Для кристаллических и жидких веществ стандартное состояние определяется как наиболее распространенная форма элемента при 25°С (298 К*) и внешнем давлении 1 атмосфера (атм); стандартное состояние газов определяется аналогичным образом, но при парциальном** давлении 1 атм. Вот например, стандартным состоянием углерода считается графит, а не алмаз.

* Кельвин (обозначение «К») – еще один показатель измерения температуры, наряду с Цельсия. Пока вам просто следует запомнить, что 0°С = 273 К, соответственно 1°С = 274 К, -1°С = 272 К, а -273°С = 0 К. Самой низкой температурой считается 0 К и называется абсолютным нулем.

** Парциальное давление — это давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре.

Простые и сложные вещества

Все вещества можно разделить на две обширные группы — простые и сложные вещества.
Простые вещества — это вещества, образованные из атомов одного элемента. Примеры простых веществ: молекулярные (O₂, O₃, H₂, Cl₂) и атомарные (He, Ar) газы; различные формы углерода, иод (I₂), металлы (не в виде сплавов).

Сложные вещества (химические соединения) — это вещества, образованные атомами разных элементов. Так, оксид меди CuO образован атомами элементов меди Cu и кислорода O, вода H₂O — атомами элементов водорода H и кислорода O.

Теперь вы понимаете различия простых веществ от сложных. Так вот, теплота образования простых веществ всегда равна нулю. Это, пожалуйста, запомните.

Стандартные теплоты образования

Вспомним прошлый урок, где мы пытались синтезировать алмаз. Теплоты образования всех веществ, участвующих в этом синтезе таковы:

• C(графит) + 2H₂(г.) → CH₄(г.)  ΔH = -74,8 кДж (1)
• C(графит) → C(алмаз)  ΔH = +1,9 кДж (2)
• H₂(г.) + ½O₂(г.) → H₂O(ж.)  ΔH = -285,8 кДж (3)

Как уже было отмечено выше, O₂ относится к простым веществам, поэтому его теплота образования равна нулю. Таблицы стандартных теплот образования ΔH°₂₉₈ соединений из чистых элементов приведена ниже под спойлером. В этой таблице нижний индекс 298 обозначает комнатную температуру (298 К = 25°С), а верхний индекс (знак градуса) означает, что реагенты и продукты находятся в своих стандартных состояниях. Однако не обязательно пользоваться записью ΔH°₂₉₈, достаточно лишь написать ΔH.

Сейчас, на примере старой и доброй реакции (4) получения алмаза путем окисления метана, я покажу вам, как по теплотам образования веществ можно определить теплоту общей реакции. Это уравнение можно получить суммированием уравнения (2) с удвоенным уравнением (3) и обращенным уравнением (1):

• C(графит) → C(алмаз)  ΔH = +1,9 кДж  (2)
• 2H₂(г.) + O₂(г.) → 2H₂O(ж.)  ΔH = -571,6 кДж  2×(3)
• CH₄(г.) → C(графит) + 2H₂(г.)  ΔH = +74,8 кДж  -(1)

В итоге получаем:

• CH₄(г.) + O₂(г.) → C(алмаз) + 2H₂O(ж.)  ΔH = -494,9 кДж  (4)

Теплота реакции вычисляется точно таким же способом, просто из теплот образования продуктов реакции вычитаем теплоты образования реагентов, учитывая все коэффициенты:

• ΔH = (+1,9) + 2(-285,8) — (-74,8) = -494,9 кДж

У кого возник вопрос, почему же мы не вычитаем теплоту образования кислорода, ответ ищите в таблице теплот образования.

Очевидно, что при таких вычислениях следует быть очень внимательным к знакам и коэффициентам. Чтобы не допустить ошибки, настоятельно рекомендую вам выписывать отдельно каждое уравнение с соответствующей теплотой реакции в таком виде, чтобы сумма всех индивидуальных уравнений давала требуемую реакцию. Если все коэффициенты какого-либо уравнения умножены на произвольное число n, на это же число n должна быть умножена соответствующая теплота образования, а если используется обращенное уравнение реакции образования, то следует изменить свой знак перед табличной величиной ΔH. Когда индивидуальные уравнения суммируются для получения требуемой реакции, сумма индивидуальных теплот образования дает искомую теплоту реакции. А теперь закрепим полученные знания примерами.

Пример 1. Чему равна стандартная теплота реакции восстановления оксида трехвалентного железа Fe₂O₃ углеродом С до железа Fe и моноксида углерода O, протекающей в доменной печи?

Решение:

Запишем уравнение реакции, указав под каждым веществом его стандартную теплоту образования:

• Fe₂O₃(тв.) + 3C(графит) → 2Fe(тв.) + 3CO(г.)
•    -822,1                0,0                 0,0          -110,5            ΔH, кДж·моль^-1

Стандартная теплота образования простых элементов (С и Fe) по определению равна нулю. Стандартная теплота рассматриваемой реакции равна:

• ΔH° = 2(0,0) + 3(-110,5) — (-822,1) — 3(0,0) = +490,6 кДж

Как видите, изменение энтальпии положительно, а значит реакция эндотермическая (поглощается тепло). Полученный результат согласуется с известным фактом, что при восстановлении железной руды до свободного железа необходимо подводить к реакционной системе большое количество теплоты. Отметим, однако, что 490,6 кДж — это теплота, которая поглощалось бы, если бы реакция проводилась при 298 К, а не при 1800 К, как это происходит в доменной печи. Получается, что наше решение неверно? Нет, оно абсолютно верно, просто тепловой эффект (+490,6 кДж) следует рассматривать как телоту, поглощаемую при нагревании оксида железа (III) и углерода от 298 до 1800 К, последующей реакции между ними и охлаждением снова до комнатной температуры 298 К. Изменение энтальпии, или теплота реакции, зависит только от исходного и конечного состояний участников реакции, а нет от того, остается ли температура постоянной или поднимается до уровня, достигаемого в доменной печи, и затем опускается снова. Важно лишь то, что в конце процесса, как и в его начале, температура имеет значение 298 К. Еще раз повторяю, ибо это очень важный момент: Когда мы ссылаемся на теплоты реакции и утверждаем, что полученные значения относятся к процессу, проводимой «при давлении 1 атм и 298 К», требуется только, чтобы реакция начиналась при этих условиях и продукты были приведены к этим условиям (1 атм и 298 К).

Пример 2. Определите теплоту сгорания жидкого бензола.

Решение:

Запишем полное уравнение реакции с указанием теплот образования всех участвующих в нем веществ:

• 2C₆H₆(ж.) + 15O₂(г.) → 12CO₂(г.) + 6H₂O(ж.)
•     +49              0,0             -393,5           -285,8         ΔH, кДж·моль^-1

Теплота этой реакции, как она записана (с 2 молями бензола), равна:

• ΔH = 12(-393,5) + 6(-285,8) — 2(+49,0) — 15(0,0) = -6540 кДж

Следовательно, теплота сгорания 1 моля бензола должна быть равна половине этой величины, т.е. -3270 кДж·моль^-1.

Надеюсь урок 21 «Теплота образования» был не скучным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

ВЫЧИСЛЕНИЕ
СТАНДАРТНЫХ ТЕПЛОТ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ
И ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Расчет
стандартной теплоты образования веществ

Пример.
Вычислите стандартную теплоту образования
этана, если известна теплота его сгорания:
ΔН^о_сгор.=
–1560 кДж/моль.

Решение.
Напишем
уравнение реакции таким образом, чтобы
перед
формулой этана стехиометрический
коэффициент был равен
1:

С₂Н₆
+ 3,5О₂
= 2СО₂
+ 3Н₂О

ΔН^о_обр.
0 2·(–393)·
3·(–286)

ΔН^о_сгор.=
ΔН^о_р.
= (–286)·3.+ (–393)·2 – ΔН^о_обр.
=
–1560 кДж/моль,

ΔН^о_обр.
= 1560 – 286·3 – 393·2 = –84 кДж/моль.

Пример. Определите
стандартную теплоту образования
этилового спирта, если теплоты сгорания
углерода, водорода и этилового спирта
соответственно равны:

–393,51; –285,84; –1366,91
кДж/моль.

Решение.
Стандартная
теплота образования вещества равна
теплоте реакции образования одного
моля этого вещества из простых веществ
при стандартных условиях.

Образование
этилового спирта из простых веществ
можно представить так: 2С + 3Н₂
+ ¹/₂О₂
= С₂Н₅ОН.
Углерод сгорает до СО₂,
водород – до Н₂О,
а этиловый спирт–до СО₂
и Н₂О.
Следовательно, для определения стандартной
теплоты образования C₂H₅ОH
составим следующий цикл Гесса:

1. 2С
+ 2О₂
= 2СО₂

–393,51·2

2. 3Н₂+
³/₂О₂
= 3Н₂О
–285,84·3

3.
2СО₂+
ЗН₂О
= С₂Н₅ОН
+ 3О₂
+1366,91

(1) + (2) + (3)

2С +
3Н₂
+ ¹/₂О₂
= С₂Н₅ОН
–277,6 кДж/моль

–393,51·2 –285,84·3 +
1366,91 = –277,6

Стандартная теплота
образования этилового спирта равна:

ΔН^о₂₉₈
= –277,6
кДж/моль.

Расчет теплового
эффекта реакции по стандартным теплотам
образования реагирующих веществ

Пример. Определите
количество теплоты, выделяющееся при
гашении

100 кг
извести водой, если стандартные теплоты
образования реагирующих веществ равны
(кДж/моль): ΔН^о
(СаО_(к))=
–635,1; ΔН^о
(Са(ОН)_2(к))=
–986,2;

ΔН^о
(Н₂О_(ж))
=
–285,84.

Решение.
Реакция
гашения извести: СaO
+ H₂О
= Са(ОН)₂.
Тепловой эффект реакции равен

∆Hº_p
=
Σ∆Hº_{обр.(прод.)}
– Σ∆Hº_{обр.(исх..)}

ΔН^о_р.
= ΔН^о
(Са(ОН)_2(к))
–[ΔН^о
(СаО_(к))+
ΔН^о
(Н₂О_(ж))]

= –986,2+635,1 +285,84 =
–65,3 кДж/моль.

Тепловой эффект
реакции рассчитан на 1 моль СаО, т.е. на
56 г СаО. При гашении 100 кг СаО выделяется
тепловая энергия:

56 г СаО —
(–65,3) кДж

100 000
г СаО — х
кДж

х
= (100
000·(–65,3)) /56
= –1,16·10⁵
кДж.

Расчет теплового
эффекта реакции по стандартным теплотам
сгорания реагирующих веществ

Пример. Определите
тепловой эффект реакции синтеза акриловой
кислоты:

+
СО+ Н₂О_(ж)
→ СН₂=СН–СООН_(ж),

если стандартные
теплоты сгорания ацетилена, оксида
углерода и акриловой кислоты соответственно
равны (кДж/моль): –1299,63, –282,50 и –1370,0.

Решение.
Из
закона Гесса следует, что тепловой
эффект реакции равен разности между
суммой теплот сгорания исходных веществ
и суммой теплот сгорания продуктов
реакции (ΔН^о_сгор..н₂о=0,
так как Н₂О
– высший оксид);

∆Hº_p
=
Σ∆Hº_{сгор.(исх.)}
– Σ∆Hº_{сгор.(прод.)}

ΔН^о
= ΔН^о_сгор.(СН=СН)
+ ΔН^о_сгор.(СО)
– ΔН^о_сгор.
(СН₂=СН–СООН_(ж))=

–1299,63 – 282,50 + 1370,0
= –212,13 кДж/моль.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ЭНЕРГИИ ГИББСА

Определение
возможности протекания процесса по
величине изменения энергии Гиббса.

Пример. Возможна
ли следующая реакция в стандартных
условиях:

t

SiО_2
(к)
+ 2NaОH
_(p)
= Na₂SiО_3
(к)
+ Н₂О
_(ж)

если
ΔG^о(SiО_2
(к))
= –803,75 кДж/моль; ΔG^о
(Na₂SiО_3
(к))=
–1427,8 кДж/моль;

ΔG^о
(NaОH_(p))
= –419,5 кДж/моль; ΔG^о
(Н₂О
_(ж))
= –237,5 кДж/моль?

Можно ли выпаривать
щелочь в стеклянном сосуде?

Решение.
Изменение
энергии Гиббса ΔG^о₂₉₈
реакции
равно:

ΔG^о
=
ΣG^о_прод.
– ΣG^о_исх.;

ΔG^о₂₉₈
=
(–1427,8 – 237,5) – (–803,75 –419,5·2)=
–22,55 кДж;

ΔG^о₂₉₈
= –22,55
кДж (т. е. ΔG<0),
а следовательно, данная реакция возможна.
Щелочь нельзя выпаривать в стеклянном
сосуде, так как в состав стекла входит
SiО₂.

Пример. Вычислить
ΔG^о
для реакции 2Н_2
(г)+О_2
(г) 2Н₂О_(г).

при 298, 500, 1000, 1500 К.
Зависимостью ΔН^о
и
ΔS^o
от температуры пренебречь. Построить
график зависимости ΔG^о
от
температуры и найти по графику температуру,
ниже которой указанная реакция в
стандартных условиях может протекать
самопроизвольно.

Решение.
Согласно
уравнению ΔG
= ΔН
– TΔS
влияние
температуры на ΔG
определяется
знаком и величиной ΔS.
Если
пренебречь влиянием Т
на
значения ΔН
и ΔS,
то приведённая зависимость ΔG
=ƒ(T)
является уравнением прямой, наклон
которой определяется знаком ΔS.
при ΔS>0
прямая идет вниз, при ΔS<0
– вверх.

Определим
величину ΔН°₂₉₈
(исходные данные берем из табл.1)

∆Hº_p
=
Σ∆Hº_{обр.(прод.)}
– Σ∆Hº_{обр.(исх..)}

ΔН°₂₉₈
= 2ΔН°_обр.(H₂O)
– (2ΔН°_обр.(H₂)
+ 2ΔН°_обр.(O₂)
= 2ΔН°_обр.(H₂O)
=

=2(-241,84)
= –483,68 (кДж) (на 2 моля
H₂O)

ΔН°_обр.(Н₂О)
= 0,5(–483,8)
= –241,89 кДж/моль.<0

Следовательно,
реакция экзотермическая.

Определим
изменение энтропии
данной реакции в стандартных условиях
ΔS°₂₉₈
(исходные
данные берем из табл.1)

ΔS^о
=
ΣS^о_прод.
– ΣS^о_исх.:

ΔS°₂₉₈=
2S°_298.(H₂O)
– [2S°_298.(H₂)
+ S°
_298.(O₂)]=
2·188,74
– (2·130.6 +
205) =

–98,6(Дж/
К) = –0,0986(кДж/ К)
< 0, ΔG
=ƒ(T)
прямая
идет вверх.

Определим
изменение энергии Гиббса ΔG°₂₉₈
в
стандартных условиях (исходные
данные берем из табл.1):

ΔG^о
=
ΣG^о_прод.
– ΣG^о_исх.;

ΔG°₂₉₈
=
2ΔG°_298.(H₂O)
– [2ΔG°₂₉₈(H₂)
– ΔG°₂₉₈(O₂)]
=
2(–228,8)
=
–457,6 кДж.

Отрицательная
величина ΔG°₂₉₈
свидетельствует
о том, что в стандартных
условиях реакция самопроизвольно
протекает в
прямом направлении.

ΔG°₂₉₈
=
ΔН°₂₉₈
–
298·ΔS⁰₂₉₈
=
–483,68 – 298·(–0,0986) = –457,6кДж

ΔG°₅₀₀
=
ΔН°₂₉₈
–
500·ΔS⁰₂₉₈
=
–483,68 – 500·(–0,0986) = –434,38кДж

ΔG°₁₀₀₀
=
ΔН°₂₉₈
–
1000·ΔS⁰₂₉₈
=
–483,68 – 1000·(–0,0986) = –385,08кДж

ΔG°₁₅₀₀
=
ΔН°₂₉₈
–
1500·ΔS⁰₂₉₈
=
–483,68 – I500·(–0,0986) = –335,78 кДж

Построим
график ΔG°_Т
=f(Т):

Температура
перехода ~4500
К

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #