Термохимические уравнения реакций

 

    Термохимическими называют уравнения реакций, в которых указан тепловой эффект реакции. Егообозначают символом Q и измеряют в кДж или ккал (1 ккал = 4,184 кДж, 1 кДж = 1000 Дж). Теплота реакции считается положительной, Q > 0, и реакция называется экзотермической, если теплота выделяется, например:

2H₂ + O₂ = 2H₂O_(ж) + 572 кДж.

Теплота реакции считается отрицательной, Q < 0, и реакция называется эндотермической, если теплота поглощается, например:

2С_(тв) + 2H_2(г) = C₂H_4(г) – 55 кДж.

    Термохимические уравнения отличаются от обычных уравнений тем, что:

    1) в термохимических уравнениях обязательно указывают агрегатные состояния веществ (жидкое, твердое или газообразное); это связано с тем, что разные агрегатные состояния одного и того же вещества имеют разную энергию. Если агрегатные состояния не указаны, они очевидны из условий проведения реакции.

    2) Коэффициенты в термохимическом уравнении равны количеству веществ (в молях), вступивших в реакцию. То есть, тепловой эффект указывают для моля реакции.

    Например, термохимическое уравнение

2H_2(г) + O_2(г) = 2H₂O_(г) + 484 кДж

означает, что 484 кДж выделяются при сгорании двух молей водорода в одном моле кислорода. Как и обычные, термохимические уравнения можно умножать на произвольное положительное число. Например, последнее уравнение можно записать в эквивалентном виде:

H_2(г) + 1/2 O_2(г) = H₂O_(г) + 242 кДж

    Если тепловой эффект приведён с размерность кДж/моль, это означает, что он относится или к молю вещества с единичным коэффициентом, или к молю реакции. Например, уравнение

2Al + 3/2 O₂ = Al₂O₃ + 1676 кДж/моль

означает, что теплота образования оксида алюминия составляет 1676 кДж/моль. Это же уравнение, но с отличающимися в 2 раза коэффициентами:

Al + 3/4 O₂ = 1/2 Al₂O₃ + 838 кДж/моль

показывает теплоту сгорания одного моля алюминия в кислороде.

    Мы видим, что указание теплового эффекта превращает относительные коэффициенты в уравнении реакции в абсолютные: каждый стехиометрический коэффициент равен количеству соответствующего вещества в молях.

    Тепловой эффект любой реакции прямо пропорционален количеству вещества. Это свойство теплоты позволяет использовать для решения задач обычные соотношения пропорциональности.

 

    Пример 20. Дано термохимическое уравнение сгорания метана:

CH_4(г) + 2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(г) + 802 кДж.

Рассчитайте, сколько теплоты выделится при сгорании: а) 2 моль, б) 2 л (н.у.) метана. Какой объём метана (н.у.) нужно сжечь, чтобы вскипятить 1 л воды (для этого необходимо затратить 335 кДж)?

    Решение. Количество теплоты прямо пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.

    а) При сгорании 1 моль CH₄ выделяется 802 кДж теплоты,

              при сгорании 2 моль CH₄ выделяется x кДж теплоты.

x = 2 ´ 802 / 1 = 1604 кДж.

    б) При сгорании 1 моль (22,4 л) CH₄ выделяется 802 кДж теплоты,

              при сгорании 2 л CH₄ выделяется z кДж теплоты.

z = 2 ´ 802 / 22,4 = 71,6 кДж.

              При сгорании 1 моль (22,4 л) CH₄ выделяется 802 кДж теплоты,

              при сгорании a л CH₄ выделяется 335 кДж теплоты.

a = 22,4 ´ 335 / 802 = 9,4 л.

    Ответ. а) 1604 кДж; б) 71,6 кДж. 9,4 л метана.

 

    Для расчёта тепловых эффектов и составления термохимических уравнений обычно используют стандартное следствие из закона Гесса, которое гласит:

 

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ (суммирование проводится с учётом коэффициентов в уравнении реакции).

 

    Для реакции вида

a A + b B = c C + d D + Q

тепловой эффект равен

Q = с × Q _обр(C) + d × Q _обр(D) – a × Q _обр(A) – b × Q _обр(B).

Теплоты образования берут из химических справочников или термодинамических баз данных.

 

    Пример 21. Определите, какое количество теплоты выделяется при сгорании 1 м³ (н.у.) ацетилена. Теплоты образования (в кДж/моль): –227 (C₂H₂), 394 (CO₂), 242 (H₂O_(г)).

    Решение. Составим термохимическое уравнение сгорания ацетилена. Для этого сначала напишем уравнение химической реакции:

2C₂H₂ + 5O₂ = 4CO₂ + 2H₂O_(г).

Используя следствие из закона Гесса, рассчитаем, сколько теплоты выделится при сгорании 2 моль ацетилена:

Q = 4 Q _обр(CO₂) + 2 Q _обр(H₂O) – 2 Q _обр(C₂H₂) – 5 Q _обр(O₂) =
= 4´394 + 2´242 – 2´(–227) – 5´0 = 2514 кДж.

Подставив это значение в химическое уравнение и добавив агрегатные состояния веществ, получим термохимическое уравнение сгорания ацетилена:

2C₂H_2(г) + 5O_2(г) = 4CO_2(г) + 2H₂O_(г) + 2514 кДж.

    Согласно этому уравнению,

              при сгорании 2 моль (2´22,4 = 44,8 л) C₂H₂ выделяется 2514 кДж теплоты,

              при сгорании 1 м³ (т.е., 1000 л) C₂H₂ выделяется x кДж теплоты.

x = 1000 ´ 2514 / 44,8 = 56100 кДж = 5,6 МДж (М обозначает приставку «мега», т.е. 10⁶).

    Ответ: 5,6 МДж.

 

Задачи на смеси веществ

 

    При решении задач на смеси веществ используют один из важнейших принципов химии – принцип независимости химических реакций. В контексте нашей статьи он гласит: