Задача№1 Тепловий ефект якої з наведених нижче хімічних
реакцій відповідає стандартній теплоті (ентальпії) утворення вуглекислого газу?
1. Cалмаз + О2
= СО2
2.
Сграфіт + О2 = СО2
3. 2СО
+ О2 = 2СО2
4. 1/2Сграфіт + ½ О2 = ½ СО2 (відповідь – другої)
Подібна задача. Яка кількість теплоти вилучається чи поглинається з
утворенням 1 г води з кисню та водню за стандартних умов? Задачу можна розв’язати, використавши
значення стандартної теплоти (ентальпії) утворення води. Стандартною
ентальпіею (теплотою) утворення хімічної сполуки називається така кількість
теплоти, яка вилучається чи поглинається з утворенням одного моля речовини за
стандартних умов з простих речовин, що взяті в стійкій формі. Це одне з основних
понять у термодинаміці. Значення стандартної ентальпії утворення наведені в
довідниках з термодинамічних властивостей речовин, позначається вона DHо і має
розмірність кДж/моль. Для простих
речовин, що взяті в стійкій формі, DHо = 0.Так, стандартна ентальпія утворення складної
речовини, наприклад, сірчаної кислоти (див. рекомендований
довідник) має значення -813,99 кДж/моль. Це означає, що підчас протікання реакції Н2 + S + 2O2 = H2SO4, в результаті якої утворюється
1 моль (98г) сірчаної кислоти, вилучається (реакція екзотермічна
DHо < 0) 813990 Дж
теплоти. Термодинаміка завжди оперує поняттями початковий та кінцевий стан
системи. Так, якщо система в початковому стані являла собою суміш простих
речовин (Н2 + S + 2O2), то в кінцевому стані вона є хімічною сполукою (H2SO4). При цьому система вилучила в навколишнє
середовище 813990 Дж теплоти. Виходячи з останнього прикладу, зрозуміло, що
поняття стандартної ентальпії утворення є
формалізованим, тому що наведена реакція за стандартних умов протікати не буде. Повертаючись до запитання в задачі, за допомогою довідника
знайдемо, що DHо для рідкої води має значення -285,83 кДж/моль, тобто з утворенням 18
г води вилучається 285830 Дж теплоти, а з утворенням 1г вилучається 15879 Дж теплоти. (відповідь – вилучається 15879 Дж теплоти)
Задача N2. Розрахуйте, яка кількість теплоти
вилучається під час взаємодії 1 м3 метану з киснем за
стандартних умов при р = const та v =const. (далі будемо писати
скорочено "ст.ум.”, а коли умови не указані,
то будемо визнавати їх стандартними). (відповідь
- при р=const вилучається
2,22×104, а при v=const - 2,20×104
кДж теплоти)
Подібна задача. Розрахуйте, яка кількість теплоти вилучається, якщо 1 кг оксиду алюмінію прореагує з
сірчаним ангідридом при постійному об’ємі
та температурі 298 К за реакцією:
Al2O3(кр) + 3SO3(г) = Al2(SO4)3(кр).
Відповідно до закону Гесса розрахуємо
зміну ентальпії в результаті
хімічної реакції (DHхр,298)
(тепловий ефект реакції) як різницю між сумою
стандартних ентальпій утворення продуктів реакціі (DHопр) та
сумою стандартних ентальпій утворення вихідних речовин (DHоком). Запишемо це у вигляді рівняння для даної реакції, підставимо в
нього значення стандартних ентальпій утворення продуктів та вихідних речовин,
скориставшись довідником, та розрахуємо
цю суму ентальпій
DHхр,298 = (DH0 Al2(SO4)3) - (DH0 Al2O3 + 3DH0 SO3 ) =
= (-3441,80)
- (-1675,69 +
3(-395,85)) =
= -578,56 кДж/моль
Перед розв’язанням задачі далі прокоментуємо одержаний результат.
Значення зміни ентальпії в результаті реакції менше нуля (DH<0),
тобто це єкзотермічна хімічна реакція. А ще можна сказати так, що при взаємодії
1 молю Al2O3(кр) (342 г) з
трьома молями SO3(г) (80 г) вилучиться в навколишне середовище 578,56 кДж теплоти. Така кількість
теплоти вилучиться, якщо реакція буде протікати при постійному тиску (DH = Qp ), а нам потрібно знайти Qv
або зміну внутрішньої енергії в
результаті цієї реакції (нагадаємо, що DU = Qv ). Для цього використаємо
такий вираз першого закону термодинаміки: DH = DU + DnRT, де Dn – зміна числа молів
газоподібних речовин в результаті реакції, R – універсальна
газова стала (8,31 Дж/(моль . К), T
– температура (К). Це рівняння
установлює зв’язок між зміною внутрішньої енергії та зміною ентальпії в
результаті хімічної реакції. У нашому випадку Dn = 0 – 3 = -3. Тепер є
можливість розрахувати зміну внутрішньої енергії DU = DH - DnRT = -578560 – (-3) 8,31× 298 = = -571130 Дж/моль . Зверніть
увагу на те, що коли реакція протікала б при
постійному об’ємі, а не при постійному тиску, то кількість теплоти, яка вилучається,
була б меншою на 7429 Дж. Таким чином,
знайдено, що під час взаємодії 342 г оксиду алюмінію з сірчаним
ангідридом при постійному об’ємі вилучається 571,130 кДж теплоти, а для 1 кг це
значення буде 1669,97 кДж (відповідь –
вилучиться 1669,97 кДж теплоти)
|