Термохимические уравнения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Раздел химии, который рассматривает химические реакции с точки зрения их тепловых эффектов называется термохимией.

В ходе химической реакции изменяется энергетическое состояние системы. Важнейшими функциями состояний являются характеристические функции такие как:

внутренняя энергия U,
энтальпия (теплосодержание) H,
энтропия S,
изохорно-изотермический потенциал (свободная энергия) F,
изобарно-изотермический потенциал (потенциал Гиббса) Ф.

Вышеперечисленные функции зависят от массы и называются экстенсивными. Кроме того, особенностями этих функций относят то, что они зависят от количества вещества и не зависят от способа достижения состояния.

В связи с термохимическими уравнениями нас более всего интересует энтальпия химической реакции $\Delta H$ , которая есть тепловой эффект реакции. Реакция называется экзотермической, если в результате ее протекания теплота выделяется: $(\Delta H<0)$ и эндотермической, если теплота поглощается $(\Delta H>0)$ .

Использование термохимических уравнений

Термохимические уравнения используются для расчета тепловых эффектов. Такие уравнения включают в себя химическую формулу реакции, тепловой эффект реакции, кроме того указывается агрегатное состояние вещества (веществ). Числовое значение в уравнении реакции строго соответствует количествам веществ, участников реакции, то есть коэффициентам. Благодаря этому соответствию, можно установить пропорциональные отношения между количеством вещества или массой и количеством теплоты в этой реакции.

Стандартная теплота образования вещества равна тепловому эффекту реакции образования 1 моль данного вещества из простых веществ в стандартных состояниях ( при давлении 1 атмосфера и заданной температуре).

Основы термохимических уравнений, закон Гесса

В основе термодинамических расчетов лежит закон Гесса: Тепловой эффект реакции, протекающей в системе при постоянном объеме или постоянном давлении, не зависит от промежуточных состояний, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы. В изохорном процессе $E_V=-\triangle U=U_1-U_2$ , в изобарном процессе $E_p=-\triangle H=H_1-H_2$ , где $E_{V,\ }E_p$ — тепловые эффекты соответствующих процессов.

Закон Гесса, выражает первый закон термодинамики применительно к химическим реакциям (это основной закон термохимии). Из него вытекают следствия, которые упрощают расчет химических реакций, протекающих в системе при p=const или V=const:

тепловой эффект реакции разложения химического соединения численно равен и противоположен по знаку тепловому эффекту реакции синтеза этого соединения из продуктов разложения;
разность тепловых эффектов двух реакций, приводящих из разных состояний к одинаковым конечным состояниям, равна тепловому эффекту реакции перехода из одного начального состояния в другое;
разность тепловых эффектов двух реакций, приводящих из одного исходного состояния к разным конечным состояниям, равна тепловому эффекту реакции перехода из одного конечного состояния в другое.

Закон Гесса позволяет оперировать термохимическими уравнениями, как алгебраическими.

Пример термохимического уравнения: $N_{2(g)}+O_{2(g)}=2NO_{(g)}-180$ кДж — термохимическое уравнение . Реакция эндотермическая.

Зависимость количества теплоты, выделяющейся в реакции (E) от теплового эффекта реакции (E_o) и количества вещества (n_b) одного из участников реакции (вещества b – исходного вещества или продукта реакции) выражается уравнением:

$E=\frac{n_b}{{\nu }_b}E_0$

Здесь $\ {\nu }_b$ – количество вещества b, задаваемое коэффициентом перед формулой вещества b в термохимическом уравнении.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При окислении 108 г алюминия кислородом выделяется 3351 кДж теплоты, а при взаимодействии 64 г ${Fe}_2O_3$ c алюминием выделяется 341,68 кДж теплоты. Рассчитайте теплоту образования оксида железа (III).

рис. 1

Решение

Основой для решения задачи являются термохимические уравнения и закон Гесса, который позволяет работать с термохимическими уравнениями как алгебраическими.

Запишем термохимическое уравнение окисления алюминия:

$4Al_{(t)}+3O_{2(g)}=2Al_2O_{3(t)}+Q_1\ (1.1)$

Определим, какое количество молей алюминия дано в задаче, зная (из таблицы Менделеева) $\mu \left(\ Al\right)=27$ г/моль:

${\nu }_{Al}=\frac{m}{\mu }=\frac{108}{27}=4$ (моль) (1.2)

В таком случае $Q_1=3351$ кДж/моль.

Запишем второе термохимическое уравнение:

$2Al_{(t)}+Fe_2O_{3(t)}=Al_2O_{3(t)}+2Fe_{(t)}+Q_2 (1.3)$

${\nu }_{Fe_2O_3}=\frac{64}{160}=0,4$ (моль) (1.4)

Так как в реакции участвует 1 моль оксида железа, то:

$Q_2=341,68\ \cdot 2,5=854,2$ (кДж/моль)

Теплоту образования железа (III) можно рассчитать из термохимического уравнения:

$2Fe_{(t)}+1,5O_{2(g)}=Fe_2O_{3(t)}+Q(Fe_2O_3)\ (1.5)$

Для того, чтобы получить уравнение (1.5) надо уравнение (1.1) умножить на коэффициент 0,5; уравнение (1.3) умножить на (-1) и полученные уравнения сложить, получим:

$2Al_{(t)}+1,5O_{2(g)}=Al_2O_{3\left(t\right)}+0,5Q_1\ (1.6)$

$-2Al_{\left(t\right)}-Fe_2O_{3\left(t\right)}=-Al_2O_{3\left(t\right)}-2Fe_{\left(t\right)}-Q_2\ (1.7)$

сложим (1.6) и (1.7), получим:

$2Al_{\left(t\right)}+1,5O_{2\left(g\right)}-2Al_{\left(t\right)}-Fe_2O_{3\left(t\right)}=Al_2O_{3\left(t\right)}+0,5Q_1-Al_2O_{3\left(t\right)}-2Fe_{\left(t\right)}-Q_2$

$1,5O_{2\left(g\right)}-Fe_2O_{3\left(t\right)}=0,5Q_1-2Fe_{\left(t\right)}-Q_2\to 2Fe_{\left(t\right)}+1,5O_{2\left(g\right)}=Fe_2O_{3\left(t\right)}+0,5Q_1-Q_2$

Соответственно: $Q\left(Fe_2O_3\right)=0,5Q_1-Q_2$ .

Проведем расчёт: $Q\left(Fe_2O_3\right)=0,5\cdot 3351-854,2=821,3$ кДж/моль

Ответ

Теплота образования оксида железа (III) в данной задаче 821,3 кДж/моль.

ПРИМЕР 2

Задание

Вычислите по термохимическому уравнению $4P_{(t)}+5O_{2(g)}=2P_2O_{5(t)}+3010$ кДж количество теплоты, выделяемое при сгорании 30,9 гр фосфора.

Решение

Найдем количество молей $\nu$ фосфора, которое сгорает: $\nu =\frac{m}{\mu }$ , где молярную массу вещества найдем с использованием таблицы Менделеева ${\mu }_P=30,9$ гр/моль, тогда $\nu =\frac{30,9\ g}{30,9\frac{g}{mol}}$ =1 моль.

Так как в приведенной реакции участвуют 4 моль фосфора, то при заданных условиях находим количество выделяемой теплоты как:

$Q=\frac{3010kJ}{4}=752,5\ kJ$

Ответ

Количество теплоты, выделяемое при сгорании 30,9 гр фосфора 752,5 кДж.

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Советуем прочитать:

Термохимические уравнения

Использование термохимических уравнений

Основы термохимических уравнений, закон Гесса

Примеры решения задач