Термохімія та термохімічні розрахунки

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ

 

Термохімія	- розділ хімії, який вивчає теплові ефекти хімічних реакцій і фазових перетворень.
Термохімічні рівняння	- рівняння процесів, в яких указані теплові ефекти та агрегатні стани речовин.
Тепловий ефект	- це кількість теплоти, яка виділяється або поглинається під час перебігу реакції при постійному тиску і об’ємі та рівності температур вихідних речовин і продуктів реакції (Твих =Тпрод). У Міжнародній системі одиниць (СІ) основною одиницею енергії затверджено Дж(Джоуль). Для вираження більшої кількості енергії використовують кДж (кілоДжоуль).
Ентальпія Н	- тепловміст системи, що включає внутрішню енергію і роботу розширення. .
Зміна ентальпії системи ΔН	- тепловий ефект реакції, виміряний при сталому тиску і сталій температурі (Р = const, T = const): . Розмірність – кДж.
Стандартна ентальпія реакції Δ Н ^0	- тепловий ефект реакції за стандартних умов (Р = 101,3 кПа, Т=298К).
Екзотермічна реакція	- реакція, що відбувається з виділенням теплоти Q > 0, тобто з пониженням ентальпії системи Δ Н < 0.
Ендотермічна реакція	- реакція, що відбувається з поглинанням теплоти Q < 0, тобто з підвищенням ентальпії системи Δ Н > 0.
Стандартна ентальпія (теплота) утворення	- тепловий ефект реакції утворення 1 моль будь-якої сполуки з простих речовин, стійких за даних умов. Теплота утворення сполук, виміряна за стандартних умов, називається стандартною теплотою утворення . Розмірність – кДж/моль.
Закон Гесса	- тепловий ефект реакції залежить від природи і стану вихідних речовин та продуктів реакції і не залежить від шляху перебігу реакції, тобто від числа і характеру проміжних стадій.
Перший наслідок із закону Гесса	- тепловий ефект (ентальпія) хімічної реакції дорівнює різниці між сумою теплот утворення продуктів реакції та сумою теплот утворення вихідних речовин з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів:
Другий наслідок із закону Гесса	- тепловий ефект (ентальпія) реакції дорівнює різниці між сумою теплот згоряння вихідних речовин і сумою теплот згоряння продуктів реакції з урахуванням стехіометричних коефіцієнтів:
Теплота (ентальпія) згоряння Δ Нзг	- тепловий ефект реакції окиснення 1 моль речовини киснем з утворенням вищих оксидів. Розмірність - кДж/моль.
Теплотворна здатність Q	- теплота, яка виділяється при згорянні 1 кг твердого або рідкого палива та 1 м^3 газоподібного палива. Розмірність – кДж/кг, кДж/м^3.

 

 

ПРИКЛАДИ ВИКОНАННЯ ЗАВДАНЬ

 

При виконанні завдань цього розділу див. табл. 5.

Приклад 1. Визначення маси реагуючих речовин за величиною теплового ефекту реакції.

При взаємодії алюмінію з йодом, виділилось 77 кДж теплоти. Які маси речовин прореагували? Теплота утворення алюміній іодиду дорівнює кДж/моль.

Розв’язання. Записуємо термохімічне рівняння, враховуючи, що

.

На підставі термохімічного рівняння складаємо пропорції та розв’язуємо їх:

а) M_Al=27 г/моль;

27 г Al реагують з виділенням 308 кДж теплоти;

х г Al реагують з виділенням 77 кДж теплоти.

Звідси .

 

б) = 254 г/моль;

,

381г J₂ реагують з виділенням 308 кДж теплоти;

y г J₂ реагують з виділенням 77 кДж теплоти.

Звідси .

Відповідь: Прореагувало 6,75 г алюмінію та 95,25 г йоду.

 

Приклад 2. Визначення об’єму і маси реагуючої речовини за величиною теплового ефекту реакції.

Визначити об’єм (н.у.) і масу вуглекислого газу, необхідного для реакції

кДж,

якщо при цьому виділяється 379,9кДж теплоти.

Розв’язання. Як видно з термохімічного рівняння, при взаємодії 1 моля, тобто 22,4 л (взятих за н.у.) вуглекислого газу з лугом, виділяється 170,2 кДж теплоти. Тому можемо скласти пропорції:

22,4 л СО₂ реагують з виділенням 170,2 кДж теплоти,

х л СО₂ реагують з виділенням 379,9 кДж теплоти.

Звідси .

Для знаходження маси СО₂ необхідно знайти молярну масу:

Відповідно до першого наслідку із закону Авогадро маса 1 моля СО₂ займає об’єм 22,4 л (за н.у.). Тоді масу СО₂ можна розрахувати з пропорції:

44 г СО₂ займають об’єм 22,4 л

y г СО₂ займають об’єм 50 л.

Звідси .

Відповідь. Прореагувало 50 л СО₂ масою 98,2 г.

 

Приклад 3. Визначення теплового ефекту реакції за масою реагуючої речовини.

Визначити кількість теплоти, яка виділяється при згорянні 10 кг амоніаку, якщо термохімічне рівняння має вигляд:

кДж

Розв’язання. Як видно з термохімічного рівняння, при згорянні 4 моль амоніаку виділяється 1168,8 кДж теплоти. Тобто ця кількість теплоти виділяється при згорянні амоніаку масою

Складаємо пропорцію:

0,068 кг NH₃ згоряє з виділенням 1168,8 кДж теплоти

10 кг NH₃ згоряє з виділеннямх кДж теплоти.

Звідси кДж.

Відповідь: При згорянні 10 кг амоніаку виділяється 171882,4 кДж теплоти.

 

Приклад 4. Визначення теплоти утворення складної речовини за відомим тепловим ефектом відповідної реакції.

Визначити теплоту утворення цинк сульфіду, якщо при взаємодії 0,25 г сірки з надлишком цинку за стандартних умов виділилось 1,6 кДж теплоти. Записати відповідне термохімічне рівняння.

Розв’язання. Під теплотою утворення () розуміють зміну ентальпії реакції утворення 1 моля складної речовини з відповідних простих речовин, взятих у стійкому при певних умовах стані. Тобто

Записуємо відповідне рівняння реакції утворення ZnS:

.

Як видно з рівняння, кількість молів Sі ZnS рівні: .

Через відому масу сірки знаходимо .

Оскільки , то .

Отже теплота утворення ZnS_(Т) дорівнює =-205,1 кДж/моль, або

Відповідь. Теплота утворення цинк сульфіду дорівнює кДж/моль.

Термохімічне рівняння має вигляд:

кДж.

Приклад 5. Розрахунок стандартної теплоти утворення за законом Гесса. Розрахувати теплоту утворення метану, користуючись такими термохімічними рівняннями:

Розв’язання. Згідно до закону Гесса термохімічними рівняннями можна оперувати, як і алгебраїчними. Щоб одержати рівняння реакції утворення метану:

треба рівняння (1) помножити на 2, додати до нього рівняння (2) і від одержаної суми відняти рівняння (3). Отримуємо сумарне рівняння:

2Н_2(Г) + О_2(Г) + С_(К) + О_2(Г) – СН_4(Г) – 2О_2(Г) → 2Н₂О_Р)+СО_2(Г) - 2Н₂О_Р – СО_2(Г)

2Н_2(Г) + С_(К) → СН_4(Г).

Відповідні дії здійснюємо з тепловими ефектами реакцій:

ΔН_Р = 2ΔН₁ + ΔН₂ – ΔН₃ = 2 (-285,84) + (-393,51) – (- 890,31) = 74,88 кДж.

Оскільки , то

Відповідь: = 74,88 кДж/моль.

 

Приклад 6. Визначення теплового ефекту реакції за стандартними теплотами утворення речовин.

Визначити тепловий ефект реакції:

за відомими величинами стандартних теплот утворення речовин ().

Розв’язання: Для цього використовуємо перший наслідок із законуГесса:

Значення речовин беремо в таблиці 4:

 

Відповідь: ΔН_Р = -198,38 кДж

 

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ

81. Визначити кількість теплоти, яка виділяється при вибуху 1 л водню та 2 л хлору (н.у.), якщо теплота утворення хлороводню становить кДж/моль.

Відповідь: 8,2 кДж.

 

82. Визначити кількість теплоти, яка виділяється, якщо під час реакції кДж

прореагує 60 г алюмінію:

 

Відповідь: 921,1 кДж.

83.Визначити об’єми (н.у.) фосфіну і кисню, необхідних для реакції

кДж,

якщо при цьому виділяється 5000 кДж теплоти.

Відповідь: 94,9 л; 189,8 л.

 

84. Визначити кількість теплоти, яка поглинається при розкладі 1 кг магній карбонату, виходячи з рівняння

кДж.

Відповідь: 1207,86 кДж.

 

85. При взаємодії азоту з воднем з утворенням амоніаку виділилось 100 кДж теплоти. Визначити які об’єми (н.у.) газів прореагували, якщо теплота утворення газоподібного амоніаку дорівнює кДж/моль.

Відповідь: 24,2 л; 72,7 л.

86. Визначити теплоту утворення нітроген(II) оксиду, якщо при взаємодії 28 г азоту з киснем за стандартних умов поглинулося 180 кДж теплоти. Записати відповідне термохімічне рівняння.

Відповідь: кДж/моль.

87. Визначити об’єм (н.у.) і масу кисню, необхідного для реакції

кДж,

якщо при цьому виділяється 500 кДж теплоти.

Відповідь: 54,1 г; 37,8 л.

 

88. Визначити теплоту утворення сірководню, якщо при взаємодії водню з 500 г сірки виділилось 314,8 кДж теплоти. Записати термохімічне рівняння процесу.

Відповідь: кДж/моль.

 

89. Визначити кількість теплоти, яка поглинається при взаємодії 80 л (н.у.) водню з ферум(III) оксидом, якщо термохімічне рівняння має вигляд:

кДж.

Відповідь: 115 кДж.

 

90. Процес відновлення Fe₂O₃ воднем відбувається за рівнянням:

кДж.

Визначити масу заліза, що утворилося під час цієї реакції з поглинанням 1725,2 кДж теплоти.

Відповідь: 2 кг.

 

91. При взаємодії водню з киснем з утворенням рідкої води виділилось 1500 кДж теплоти (н.у.). Які об’єми газів прореагували? Теплота утворення рідкої води дорівнює кДж/моль.

Відповідь: 117,55 л; 58,77 л.

 

92. На основі термохімічного рівняння реакції

кДж

визначити масу гашеного вапна, яке утворюється при виділенні 1323,65 кДж теплоти.

Відповідь: 1,5 кг

 

93. Визначити теплоту утворення газоподібного метану СН_4(г), якщо при взаємодії з вуглецем прореагувало 40 л водню і при цьому виділилось 66,8 кДж теплоти. Записати відповідне термохімічне рівняння.

Відповідь: кДж/моль.

 

94. Визначити кількість теплоти, яка виділяється при утворенні 30 г кальцій силікату, виходячи з термохімічного рівняння

кДж.

Відповідь: 22,66 кДж.

 

95. Визначити маси ферум(II) оксиду і карбон(II) оксиду, необхідні для реакції

кДж,

якщо при цьому виділяється 5,5 кДж теплоти.

Відповідь: 20,49 г, 7,97 г.

 

96. Визначити кількість теплоти, яка виділяється при утворенні 3 кг кристалогідрату цинк сульфату, виходячи з термохімічного рівняння:

кДж.

Відповідь: 902,9 кДж.

 

97. Термохімічне рівняння згоряння бензену з утворенням рідкої води має вигляд

кДж.

Визначити кількість молів кисню і бензену, при взаємодії яких виділиться 27795 кДж теплоти.

Відповідь: 63,6 молів, 8,5 молів.

 

98. Визначити кількість грамів фосфору, який згорів у надлишку кисню, якщо при цьому виділилось 746 кДж теплоти.

Відповідь: 30,97 г.

 

99. Визначити кількість теплоти, яка виділяється при взаємодії трьох молів алюмінію з надлишком сірки, якщо внаслідок реагування 13,49 г алюмінію виділилось 127,2 кДж теплоти.

Відповідь: 763,2 кДж.

 

100. Визначити об’єми азоту та водню (н.у.), які прореагували з виділенням 184,8 кДж теплоти.

Відповідь: 44,8 л, 134,4 л.

101. Визначити тепловий ефект реакції відновлення ферум(II) оксиду воднем, виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 28 кДж.

 

102 Визначити тепловий ефект процесу перетворення графіту на алмаз, виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 1,9 кДж.

 

103. Визначити теплоту утворення кальцій гідроксиду, виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –986,50 кДж/моль.

 

104. Визначити тепловий ефект реакції відновлення Fe₃O_4(К) воднем, виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 150,6 кДж.

 

105. Визначити теплоту утворення етилену С₂Н_4(Г), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 52,4 кДж/моль.

 

106. Визначити теплоту утворення NO_(Г), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 90,37 кДж/моль.

107. Визначити теплоту утворення вуглекислого газу СО_2(Г), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –393,31 кДж/моль.

 

108. Визначити теплоту утворення Н₂О_(Р), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –285,8 кДж/моль.

 

109. Визначити теплоту утворення ферум(II) оксиду FeO_(К), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –269,82 кДж/моль.

 

110. Визначити теплоту утворення етану С₂Н_6(Г), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –84,67 кДж/моль.

 

111. Визначити теплоту утворення N₂O_(Г), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 82 кДж/моль.

 

112. Скільки треба витратити теплоти, щоб розкласти 200 г Na₂CO₃ до натрій

оксиду та вуглекислого газу, якщо теплові ефекти реакцій дорівнюють:

Відповідь: 576,4 кДж.

 

113. Розрахувати тепловий ефект реакції утворення цинк сульфату ZnSO_4(К) шляхом окиснення цинк сульфіду ZnS_(К), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 777,3 кДж.

 

114. Визначити кількість теплоти, що виділяється під час взаємодії 50 г фосфорного ангідриду Р₂О_5(К) з водою за реакцією

,

якщо відомі теплові ефекти реакцій:

Відповідь: –146,41 кДж

 

115. Визначити стандартну теплоту утворення етилового спирту С₂Н₅ОН_(Р), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –277,63 кДж/моль.

 

116. Визначити стандартну теплоту утворення Fe₂O_3(К), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –824 кДж/моль.

 

117. Визначити стандартну теплоту утворення MgCO_3(К), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –1113 кДж/моль.

 

118. Розрахувати тепловий ефект реакції ,

виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: 22,96 кДж/моль.

 

119. Визначити тепловий ефект реакцій горіння метану СН_4(Г) з утворенням вуглекислого газу СО_2(Г) та води Н₂О_(Г) за такими даними:

Відповідь: –802,28 кДж.

 

120. Визначити стандартну теплоту утворення амоніаку NH_3(Г), виходячи з термохімічних рівнянь:

Відповідь: –46,19 кДж/моль.

121. Теплота утворення кальцій гідроксиду з оксидів СаО_(Т) та Н₂О_(Р) становить –65,1 кДж/моль. Визначити стандартну теплоту утворення кальцій оксиду, виходячи з термохімічного рівняння

Відповідь: -635,6 кДж/моль.

 

122. Визначити тепловий ефект реакції

за відомими величинами стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції.

Відповідь: 233,2 кДж

 

123. Визначити стандартну теплоту утворення фосфіну РН₃, використовуючи термохімічне рівняння

,

якщо відомі стандартні теплоти утворення Р₂О_5(Т) і Н₂О_(Р).

Відповідь: 5,3 кДж/моль.

 

124. Визначити тепловий ефект реакції

за відомими величинами стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції.

Відповідь: -115,5 кДж.

 

125. Визначити тепловий ефект реакції

за відомими величинами стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції.

Відповідь: -853,7 кДж.

 

126. Визначити тепловий ефект реакції за відомими величинами стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції

Відповідь: -566 кДж

 

127. Визначити тепловий ефект реакції за відомими величинами стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції

Відповідь: -198 кДж

 

128. Знайти стандартну теплоту утворення CaSiO_3(Т), використовуючи стандартні теплоти утворення SiO_2(Т), СаО_(Т) і тепловий ефект реакції

Відповідь: -1579,0 кДж/моль.

 

129. Використовуючи термохімічне рівняння

,

розрахувати стандартну теплоту утворення СаО, якщо відомі стандартні теплоти утворення SiO_2(Т) і CaSiO_3(Т).

Відповідь: -635,1 кДж/моль.

 

130. Визначити стандартну теплоту утворення SiO_2(Т), використовуючи термохімічне рівняння

,

якщо відомі стандартні теплоти утворення CaO_(Т) і CaSiO_3(Т).

Відповідь: -859,3 кДж/моль.

 

131. Використовуючи термохімічне рівняння

,

розрахувати стандартну теплоту утворення СО, якщо відомі стандартні теплоти утворення Fe₂O_3(Т) і CO_2(Г)

Відповідь: -110,5 кДж/моль.

 

132. Використовуючи термохімічне рівняння

,

розрахувати стандартну теплоту утворення СО_2(г), якщо відомі стандартні теплоти утворення СО_(Г) і Fe₂O_3(Т).

Відповідь: -393,51 кДж/моль

 

133. Використовуючи термохімічне рівняння

,

розрахувати стандартну теплоту утворення Fe₂O_3(Т), якщо відомі стандартні теплоти утворення СО_(Г) і СО_2(Г).

Відповідь: -821,32 кДж/моль.

 

134. Визначити тепловий ефект гасіння вапна водою при 25⁰С, якщо відомі величини стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції.

Відповідь: -65,1 кДж.

 

135. Знайти стандартну теплоту утворення Na₂CO₃, використовуючи термохімічне рівняння

,

якщо відомі стандартні теплоти утворення SiO_2(Т), Na₂SiO_3(Т) і СО_2(Г).

Відповідь: -1129,0 кДж/моль.

 

136. Визначити стандартну теплоту утворення NH₄Cl_(Т) використовуючи термохімічне рівняння

якщо відомі стандартні теплоти утворення NH_3(Г) і HСl_(Г).

Відповідь: -315,39 кДж/моль.

 

137. Визначити тепловий ефект реакції розкладу MgCO₃

за величинами стандартних теплот утворення MgCO_3(Т), MgO_(Т) і СО_2(Г).

Відповідь: 100,9 кДж.

 

138. Визначити стандартну теплоту утворення MgCO₃, використовуючи термохімічне рівняння

,

якщо відомі стандартні теплоти утворення MgO_(m) і CO_2(г).

Відповідь: -1096 кДж/моль.

 

139. Знайти тепловий ефект реакції

за відомими величинами стандартних теплот утворення вихідних речовин та продуктів реакції.

Відповідь: 490,54 кДж.

 

140. Визначити стандартну теплоту утворення пентахлориду фосфору, використовуючи термохімічне рівняння

якщо відома стандартна теплота утворення РСl₃.

Відповідь: -374,9 кДж/моль.