ТЕМА 2. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕСОВ.
Пример 1. Определите количество теплоты, при гашении 100 кг извести водой при 250 С, если известны стандартные теплоты образования веществ, участвующих в химической реакции: DН0298, Cа O (тв) = - 635,1 кДж/ моль; DН0298,Н2О(ж)= -285,84 кДж/моль; DН0298, Ca(OH)2(тв) = - 986,2 кДж/моль.
Решение: Реакция гашения извести: СаО(тв) + Н2O(Ж) = Са(ОН)2(тв)
Согласно первому следствию из закона Гесса, тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции минус сумма теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коеффициентов в уравнении реакции. Для данной реакции:
DH0298,реакции = DН0298,Cа(ОН)2 - DН0298,CаО(тв) - DН0298, H2O(ж)
DН0298,реакции= - 986,2 - (- 635,1 ) - (- 285,84) = - 65,26 кДж
Таким образом, при гашении водой 1 моль извести выделяется 65,26 кДж, при гашении 1 кмоль извести - 65260 кДж. М(СаО) = 56 г/моль =56кг/кмоль, m (CаО) = 100 кг. n (CаО) = m (CaO) / M(CaO). При гашении 100 кг извести выделяется 100/56 ´ 65260 = 116536 кДж.
Пример 2. С помощью термохимического уравнения
Н2S (г) + 3/2 О2 = SO2(г) + Н2О(ж) + 562,8 кДж
определите объем сгоревшего сероводорода, если известно, что в результате реакции выделилось 281,4 кДж теплоты.
Решение: Проведем расчет по уравнению реакции и определим объем сероводорода:
х л 281, 4 кДж
Н2S(г) + 3/2 O2 = SO2 (г) + H2O(ж) + 562, 8 кДж
22,4 л
22,4 / х = 562,8 / 281,4 , х = 11,2 л (Н2S)
Пример 3. Вычислить стандартное изменение энергии Гиббса для химической реакции
NH3(г) + НCl (г)= NH4Cl(тв) по значениям стандартных теплот образования и энтропий веществ, участвующих в реакции.
Вещество NH3 HCl NH4Cl
DH0298, кДж/моль - 46,19 - 92,3 - 315,39
S0298, Дж/мольК 192,5 186,7 94,56
Решение: Изменение энергии Гиббса в химической реакции при температуре Т можно вычислить по уравнению DG = DH - TDS. Тепловой эффект химической реакции DН0298 определяем по первому следствию из закона Гесса:
DН0298 = DН0298,NH4Сl(тв)-DН0298, NH3 (г) - DH0298, HСl(г)= - 315, 39 - (-46,19 + - 92,3) = - 176, 9 кДж
Изменение энтропии в химической реакции:
DS0298 = S0298,NH4Cl(тв)-S0298, NH3(г) - S0298, HCl(г)= 94,56 -192,5 -186,7 = -284,64 Дж/моль К
Изменение энергии Гиббса в химической реакции в стандартных условиях:
DG0298 = DH0298 - TDS0298 T=298 K
DG0298 = -176,9 - 298 ´ 284,64 ´ 10-3 = - 92,08 кДж ;
DG0298 = - 92,08 кДж; DG0298 меньше нуля, следовательно в стандартных условиях данная реакция возможна.
46. При взаимодействии 1 моль металлического калия с водой выделяется 188,4 кДж теплоты. Определите, какая масса калия прореагировала, выделилось 28,65 кДж теплоты. Ответ: 5,85 г.
47. Вычислите стандартную энтальпию образования уксусной кислоты, используя следующие данные:
1). СН3СООН (ж) + 2 О2 = 2 СО2 (г) + 2 Н2О (ж) DН = - 871,54 кДж
2). С (графит) + О2 = СО2 (г) DН = - 393,5 кДж
3). Н2 + 1/2 О2 = Н2О (ж) DН = - 285,8 кДж
Ответ: - 487,06 кДж
48. Энтальпия растворения сульфата меди равна - 66,5 кДж, а энтальпия гидратации: CuSO4 (кр) + 5 Н2О (ж) = CuSO4 х 5 Н2О ( кр), DН0298= -78,22 кДж. Вычислите энтальпию растворения кристаллогидрата. Ответ: 11,72 кДж/моль.
49. Различные виды топлива характеризуются удельной теплотой сгорания - величиной, равной отношению теплоты сгорания к массе сгоревшего топлива. Вычислите удельную теплоту сгорания молока, считая, что в молоке массовая доля белка 3,2 %, жира 2,5 % и углеводов 5,6 %. (Считать, что при метаболизме белков в среднем выделяется 17 кДж/г, при метаболизме жиров 38 кДж/г и удельная теплота сгорания углеводов в среднем 17 кДж/г) Ответ: 2446 кДж/кг.
50. Какая масса ядер грецких орехов может компенсировать половину суточной потребности человека в энергии, равной 6276 кДж, если известно, что в орехах массовая доля жира 64,4 %, белка 15,6 % и углеводов 12 %? (Удельные теплоты сгорания жира, белка и углеводов соответственно равны - 38 кДж/г, 17 кДж/г и 17 кДж/г). Ответ: 0,215 кг.
51. Чем можно объяснить, что при стандартных условиях невозможна реакция, протекающая по уравнению
Н2 (г) + СО2 (г) = СО (г) + Н2О (ж) DН = - 2,85 кДж
Вывод сделайте на основании качественного изменения энтропии. Зная тепловой эффект реакции и абсолютные стандартные энтропии соответствующих веществ ( см. табл. 1 ) определите DG0298 этой реакции. Ответ: 19,91 кДж.
52. На основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ вычислите DG0298 реакции
СО2 (г) + 4 Н2 (г) = СН4 (г) + 2 Н2O (ж)
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: - 130,89 кДж.
53. При какой температуре наступит равновесие системы
4 НСl (г) + О2(г) = 2 Н2О (г) + 2 Сl2(г) DН = - 114,2 кДж
Что в этой системе является более сильным окислителем - хлор или кислород и при каких температурах? Ответ: 891 K.
54. Определить DS0298 системы, пользуясь данными табл.1:
Н2(г) + S (к) = Н2S (г) Ответ: 43,16 Дж/ моль К.
55. Рассчитайте DS0298 реакции разложения бертолетовой соли, если S0298 KClO3= 142,97 Дж/мольК, а S0298 KCl = 82,68 Дж/мольК. Ответ: 494,50 Дж/мольК.
56. Вычислите DН0298, DS0298, DG0298 для процесса
MgCO3(кр) = MgO (кр) + СО2(г)
Ответ: 101,46 кДж/моль; 174, 9 Дж/мольК ; 43,33 кДж/моль. Процесс невозможен при стандартных условиях.
57. Кристаллический хлорид аммония образуется при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода. Приведите термохимическое уравнение этой реакции, вычислив ее тепловой эффект. Сколько теплоты выделится, если в реакции было израсходовано 10 л аммиака в пересчете на нормальные условия? Ответ: 78,97 кДж.
58. Восстановление Fe2O3 водородом протекает по уравнению
Fe2O3 (к) + 3 Н2 (г) = Fe (к) + 3 Н2О (г) DН0298=96,61 кДж
Возможна ли эта реакция при стандартных условиях, если изменение энтропии DS0298= 0, 1387 кДж/моль? При какой температуре начинается восстановление оксида железа? Ответ: 696 K.
59. При взаимодействии газообразных метана и сероводорода образуются газообразные сероуглерод и водород. Напишите термохимическое уравнение реакции, вычислив ее тепловой эффект. Ответ: 230,43 кДж.
60. Определите DG0298 реакции, протекающей по уравнению
4 NH3(г) + 5 О2 (г) = 4 NO (г) + 6 Н2О (г)
Вычисления сделайте на основании стандартных теплот образования и абсолютных стандартных энтропий соответствующих веществ. Возможна ли эта реакция при стандартных условиях? Ответ: - 957,77 кДж.
Таблица 1