Задачи на расчет по термохимическим уравнениям реакции и по уравнениям, связанным с изменением того или иного параметра. Тепловой эффект химической реакции

23.09.2019

Из материалов урока вы узнаете, какое уравнение химической реакции называют термохимическим. Урок посвящен изучению алгоритма расчетов по термохимическому уравнению реакций.

Тема: Вещества и их превращения

Урок: Расчеты по термохимическим уравнениям

Практически все реакции протекают с выделением или поглощением теплоты. Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе реакции, называется тепловым эффектом химической реакции .

Если тепловой эффект записан в уравнении химической реакции, то такое уравнение называют термохимическим .

В термохимических уравнениях, в отличие от обычных химических, обязательно указывают агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное).

Например, термохимическое уравнение реакции между оксидом кальция и водой выглядит так:

СаО (т) + Н 2 О (ж) = Са(ОН) 2(т) + 64 кДж

Количество теплоты Q, выделившееся или поглощенное при протекании химической реакции, пропорционально количеству вещества реагента или продукта. Поэтому, пользуясь термохимическими уравнениями, можно производить различные расчеты.

Рассмотрим примеры решения задач.

Задача 1: Определите количество теплоты, затраченное на разложение 3,6 г воды в соответствии с ТХУ реакции разложения воды:

Решить эту задачу можно с помощью пропорции:

при разложении 36 г воды поглотилось 484 кДж

при разложении 3,6 г воды поглотилось x кДж

Таким образом, можно составить уравнение реакции. Полное решение задачи приведено на Рис.1.

Рис. 1. Оформление решения задачи 1

Задача может быть сформулирована таким образом, что вам нужно будет составить термохимическое уравнение реакции. Рассмотрим пример такой задачи.

Задача 2 : При взаимодействии 7 г железа с серой выделилось 12,15 кДж теплоты. На основании этих данных составьте термохимическое уравнение реакции.

Обращаю ваше внимание на то, что ответом в данной задаче служит само термохимическое уравнение реакции.

Рис. 2. Оформление решения задачи 2

1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й кл.: к учеб. П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006. (с.80-84)

2. Химия: неорган. химия: учеб. для 8кл. общеобр. учрежд. /Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§23)

3. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Решение задач: расчеты по термохимическим уравнениям ().

2. Термохимические уравнения ().

Домашнее задание

1) с. 69 задачи №№ 1,2 из учебника «Химия: неорган. химия: учеб. для 8кл. общеобр. учрежд.» /Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.

2) с.80-84 №№ 241, 245 из Сборника задач и упражнений по химии: 8-й кл.: к учеб. П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006.

Тема: Вещества и их превращения

Урок: Расчеты по термохимическим уравнениям

Если тепловой эффект записан в уравнении химической реакции, то такое уравнение называют термохимическим .

Например, термохимическое уравнение реакции между оксидом кальция и водой выглядит так:

СаО (т) + Н 2 О (ж) = Са(ОН) 2(т) + 64 кДж

Рассмотрим примеры решения задач.

Решить эту задачу можно с помощью пропорции:

при разложении 36 г воды поглотилось 484 кДж

при разложении 3,6 г воды поглотилось x кДж

Таким образом, можно составить уравнение реакции. Полное решение задачи приведено на Рис.1.

Рис. 1. Оформление решения задачи 1

Обращаю ваше внимание на то, что ответом в данной задаче служит само термохимическое уравнение реакции.

Рис. 2. Оформление решения задачи 2

3. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Решение задач: расчеты по термохимическим уравнениям ().

2. Термохимические уравнения ().

Домашнее задание

Видеоурок 2: Расчеты по термохимическим уравнениям

Лекция: Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения

Тепловой эффект химической реакции

Термохимия – это раздел химии, изучающий термические, т.е. тепловые эффекты реакций.

Как вам известно, каждый химический элемент обладает n-количеством энергии. Мы сталкиваемся с этим каждый день, т.к. каждый прием пищи запасает наш организм энергией химических соединений. Без этого у нас не будет сил двигаться, работать. Эта энергия поддерживает в нашем теле постоянную t 36,6.

В момент протекания реакций энергия элементов затрачивается либо на разрушение, либо на образование химических связей между атомами. Для разрушения связи энергию нужно затратить, а для образования выделить. И вот когда выделяемая энергия больше, чем затрачиваемая, образовавшийся избыток энергии превращается в тепло. Таким образом:

Выделение и поглощение теплоты при химических реакциях называется тепловым эффектом реакции , и обозначается буков Q.

Экзотермические реакции – в процессе таких реакций происходит выделение теплоты, и она передается окружающей среде.

У данного типа реакции положительный тепловой эффект +Q. В качестве примера возьмем реакцию горения метана:

Эндотермические реакции – в процессе таких реакций происходит поглощение теплоты.

У данного типа реакции отрицательный тепловой эффект -Q. К примеру, рассмотрим реакцию угля и воды при высокой t:

Тепловой эффект реакции напрямую зависит от температуры, а также от давления.

Термохимические уравнения

Тепловой эффект реакции определяется с применением термохимического уравнения. Чем оно отличается? В данном уравнении возле символа элемента указывается его агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное). Это необходимо делать т.к. на тепловой эффект химических реакций влияет масса вещества в агрегатном состоянии. В конце уравнения за знаком = указывается численное значение тепловых эффектов в Дж или кДж.

В качестве примера представлено уравнение реакции, показывающее процесс сгорания водорода в кислороде: H 2 (г) + ½O 2 (г) → H 2 O(ж) + 286 кДж.

Уравнение показывает, что на 1 моль кислорода, и на 1 моль образовавшейся воды выделяется 286 кДж теплоты. Реакция - экзотермическая. Данная реакция отличается значительным тепловым эффектом.

При образовании, какого - либо соединения, будет выделяться или поглощаться такое же количество энергии, какое поглощается или выделяется при его распаде на первичные вещества.

Практически все термохимические расчеты, основываются на законе термохимии – законе Гесса. Закон был выведен в 1840 году, знаменитым российским ученым Г. И. Гессом.

Основной закон термохимии : тепловой эффект реакции, зависит от природы и физического состояния исходных и конечных веществ, но не зависит от пути протекания реакции.

Применяя данный закон, удастся вычислить тепловой эффект промежуточной стадии реакции, если известны общий тепловой эффект реакции, и тепловые эффекты других промежуточных стадий.

Знание теплового эффекта реакции имеет большое практическое значение. К примеру, врачи – диетологи используют их при составлении правильного рациона питания; в химической промышленности эти знания необходимы при нагревании реакторов и наконец, без расчёта теплового эффекта невозможно вывести ракету на орбиту.

Задача 1.
При сгорании 560 мл (н.у.) ацетилена согласно термохимическому уравнению:
2С 2 Н 2(Г) + 5О 2(г) = 4СО 2(Г) + 2Н 2 О (Г) + 2602,4 кДж
выделилось:
1) 16,256 кДж; 2) 32,53кДж; 3) 32530 кДж; 4) 16265кДж
Дано:
объем ацетилена: V(С 2 Н 2) = 560 мл.
Найти: количество выделившейся теплоты.
Решение:
Для выбора верного ответа удобнее всего провести расчет искомой в задаче величины и сравнить ее с предлагаемыми вариантами. Расчет по термохимическому уравнению ничем не отличается от расчета по обычному уравнению реакции. Над реакцией мы указываем данные в условии и искомые величины, под реакцией - их соотношения согласно коэффициентам. Теплота представляет собой один из продуктов, поэтому ее числовое значение мы рассматриваем как коэффициент.

Сравнивая полученный ответ с предложенными вариантами, видим, что подходит ответ № 2.
Небольшая хитрость, приводящая невнимательных учеников к неверному ответу № 3, заключалась в единицах измерения объема ацетилена. Объем, указанный в условии в миллилитрах, обязательно нужно было перевести в литры, так как молярный объем измеряется в (л/моль).

Изредка встречаются задачи, в которых термохимическое уравнение необходимо составить самостоятельно по значению теплоты образования сложного вещества.

Задача 1.2.
Теплота образования оксида алюминия равна 1676 кДж/моль. Определите тепловой эффект реакции, в которой при взаимодейс твии алюминия с кислородом получено
25,5г А1 2 О 3 .
1) 140кДж; 2) 209,5кДж; 3) 419кДж; 4) 838кДж.
Дано:
теплота образования оксида алюминия: Qобр (А1 2 О 3) = = 1676 кДж/моль;
масса полученного оксида алюминия: m(А1 2 О 3) = 25,5 г.
Найти: тепловой эффект.
Решение:
Данный тип задач можно решить двумя способами:
I способ
Согласно определению теплота образования сложного вещества - это тепловой эффект химической реакции образования 1 моль этого сложного вещества из простых веществ.
Записываем реакцию образования оксида алюминия из А1 и О 2 . При расстановке коэффициентов в полученном уравнении учитываем, что перед А1 2 О 3 должен быть коэффициент «1» , который соответствует количеству вещества в 1 моль. В этом случае мы можем использовать теплоту образования, указанную в условии:
2А1 (ТВ) + 3/2О 2(г) -----> А1 2 О 3(ТВ) + 1676 кДж
Получили термохимическое уравнение.
Для того чтобы коэффициент перед А1 2 О 3 остался равен «1», коэффициент перед кислородом должен быть дробным.
При записи термохимических уравнений допускаются дробные коэффициенты.
Рассчитываем количество теплоты, которое выделится при образовании 25,5 г А1 2 О 3:

Составляем пропорцию:
при получении 25,5 г А1 2 О 3 выделяется х кДж (по условию)
при получении 102 г А1 2 О 3 выделяется 1676 кДж (по уравнению)

Подходит ответ № 3.
При решении последней задачи в условиях ЕГЭ можно было не составлять термохимическое уравнение. Рассмотрим этот способ.
II способ
Согласно определению теплоты образования 1676 кДж выделяется при образовании 1 моль А1 2 О 3 . Масса 1 моль А1 2 О 3 составляет 102 г, следовательно, можно составить пропорцию:
1676 кДж выделяется при образовании 102 г А1 2 О 3
х кДж выделяется при образовании 25,5 г А1 2 О 3

Подходит ответ № 3.
Ответ: Q = 419кДж.

Задача 1.3.
При образовании 2 моль СuS из простых веществ выделяется 106,2 кДж теплоты. При образовании 288г СuS выделяется теплота количеством:
1) 53,1кДж; 2) 159,З кДж; 3) 212,4 кДж; 4) 26,6кДж
Решение:
Находим массу 2 моль СuS:
m(СuS) = n(СuS) . М(СuS) = 2 . 96 = 192 г.
В текст условия вместо значения количества вещества СuS подставляем массу 2 моль этого вещества и получаем готовую пропорцию:
при образовании 192 г СuS выделяется 106,2 кДж теплоты
при образовании 288 г СuS выделяется теплота количеством х кДж.

Подходит ответ № 2.

Второй вид задач можно решать как по закону объемных отношений, так и без его использования. Рассмотрим оба варианта решения на примере.

Задачи на применение закона объемных отношений:

Задача 1.4.
Определите объем кислорода (н.у.), который потребуется для сжигания 5 литров угарного газа (н.у.).
1) 5 л; 2) 10 л; 3) 2,5 л; 4) 1,5 л.
Дано:
объем угарного газа (н.у.): VСО) = 5 л.
Найти: объем кислорода (н.у.): V(О 2) = ?
Решение:
В первую очередь необходимо составить уравнение реакции:
2СО + О 2 = 2СО
n = 2 моль n =1 моль
Применяем закон объемных отношений:

Отношение мы находим по уравнению реакции, а
V(CO) возьмем из условия. Подставив все эти значения в закон объемных отношений, получим:

Отсюда: V(O 2) = 5/2 = 2,5л.
Подходит ответ № 3.
Без использования закона объемных отношений задача решается с помощью расчета по уравнению:

Составляем пропорцию:
5 л С02 взаимодействуют с х л О2 (по условию) 44,8 л СО2 взаимодействуют с 22,4 л О2(по уравнению):

Получили тот же вариант ответа № 3.

Для того, чтобы сравнивать энергетические эффекты различных процессов, тепловые эффекты определяют при стандартных условиях . За стандартные принимают давление 100 кПа (1 бар), температуру 25 0 С (298 К), концентрацию - 1 моль/л. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то тепловой эффект химической реакции называется стандартной энтальпией системы и обозначается ΔН 0 298 или ΔН 0 .

Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют термохимическими уравнениями .

В термохимических уравнениях указывают фазовое состояние и полиморфную модификацию реагирующих и образующихся веществ: г -газовое, ж - жидкое, к -кристаллическое, т - твердое, р - растворенное и др. Если агрегатные состояния веществ для условий реакции очевидны, например, О 2 , N 2 , Н 2 - газы, Аl 2 О 3 , СаСО 3 - твердые вещества и т.д. при 298 К, то их могут не указывать.

Термохимическое уравнение включает в себя тепловой эффект реакции ΔН , который в современной терминологии записывают рядом с уравнением. Например:

С 6 Н 6(Ж) + 7,5О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О (Ж) ΔН 0 = - 3267,7 кДж

N 2 + 3Н 2 = 2NН 3(Г) ΔН 0 = - 92,4 кДж.

С термохимическими уравнениями можно оперировать, как и с алгебраическими уравнениями (складывать, вычитать друг из друга, умножать на постоянную величину и т.д.).

Термохимические уравнения часто (но не всегда) приводятся для одного моля рассматриваемого вещества (получаемого или расходуемого). При этом другие участники процесса могут входить в уравнение с дробными коэффициентами. Это допускается, так как термохимические уравнения оперируют не с молекулами, а с молями веществ.

Термохимические расчеты

Тепловые эффекты химических реакций определяют как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов.

В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса (1841 г):

Тепловой эффект реакции не зависит от пути, по которому протекает реакция (т.е. от числа промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы.

Например, реакция горения метана может протекать по уравнению:

СН 4 +2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О (Г) ΔН 0 1 = -802,34 кДж

Эту же реакцию можно провести через стадию образования СО:

СН 4 +3/2О 2 = СО + 2Н 2 О (Г) ΔН 0 2 = -519,33 кДж

СО +1/2О 2 = СО 2 ΔН 0 3 = -283,01 кДж

При этом оказывается, что ΔН 0 1 = ΔН 0 2 + ΔН 0 3 . Следовательно, тепловой эффект реакции, протекающей по двум путям, одинаков. Закон Гесса хорошо иллюстрируется с помощью энтальпийных диаграмм (рис.2)

Из закона Гесса вытекает ряд следствий:

1. Тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.

2. Если в результате ряда последовательных химических реакций система приходит в состояние, полностью совпадающее с исходным, то сумма тепловых эффектов этих реакций равна нулю (ΔН = 0). Процессы, в которых система после последовательных превращений возвращается в исходное состояние, называются круговыми процессами или циклами . Метод циклов широко используется в термохимических расчетах. .

3. Энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакций за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Здесь встречаемся с понятием ""энтальпия образования"" .

Энтальпией (теплотой) образования химического соединения называется тепловой эффект реакции образования 1 моля этого соединения из простых веществ, взятых в их устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоты образования относят к стандартному состоянию, т.е. 25 0 С (298 К) и 100 кПа. Стандартные энтальпии образования химических веществ обозначаются ΔН 0 298 (или ΔН 0 ), измеряются в кДж/моль и приводятся в справочниках. Энтальпию образования простых веществ, устойчивых при 298 К и давлении 100 кПа, принимают равной нулю.

В таком случае следствие из закона Гесса для теплового эффекта химической реакции (ΔН (Х.Р.) ) имеет вид:

ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 продуктов реакции - ∑ΔН 0 исходных веществ

Используя закон Гесса, можно рассчитывать энергию химической связи, энергию кристаллических решеток, теплоты сгорания топлив, калорийность пищи и т.д.

Наиболее распространенные расчеты – вычисление тепловых эффектов (энтальпий) реакций, что необходимо для технологических и научных целей.

Пример 1. Напишите термохимическое уравнение реакции между СО 2(Г) и водородом, в результате которой образуются СН 4(Г) и Н 2 О (Г) , вычислив ее тепловой эффект на основе данных, приведенных в приложении. Сколько теплоты выделится в этой реакции при получении 67,2 л метана в пересчете на стандартные условия?

Решение .

СО 2(Г) + 3Н 2(Г) = СН 4(Г) + 2Н 2 О (Г)

Находим в справочнике (приложение) стандартные теплоты образования соединений, участвующих в процессе:

ΔН 0 (СО 2(Г) ) = -393,51 кДж/моль ΔН 0 (СН 4(Г) ) = -74,85 кДж/моль ΔН 0 (Н 2(Г) ) = 0 кДж/моль ΔН 0 (Н 2 О (Г) ) = ―241,83 кДж/моль

Обратите внимание, что теплота образования водорода, как и всех простых веществ в их устойчивом при данных условиях состоянии, равна нулю. Рассчитываем тепловой эффект реакции:

ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 (прод.) - ∑ΔН 0 (исх.) =

ΔН 0 (СН 4(Г) ) + 2ΔН 0 (Н 2 О (Г) ) - ΔН 0 (СО 2(Г) ) -3ΔН 0 (Н 2(Г) )) =

74,85 + 2(-241,83) - (-393,51) - 3·0 = -165,00 кДж/моль.

Термохимическое уравнение имеет вид:

СО 2(Г) + 3Н 2(Г) = СН 4(Г) + 2Н 2 О (Г) ; ΔН = -165,00 кДж

Согласно этому термохимическому уравнению, 165,00 кДж теплоты выделится при получении 1 моль, т.е. 22,4 л метана. Количество теплоты, выделившейся при получении 67,2 л метана, находим из пропорции:

22,4 л -- 165,00 кДж 67,2·165,00

67,2 л -- Q кДж Q = ------ = 22,4

Пример 2. При сгорании 1л этилена С 2 Н 4(Г) (стандартные условия) с образованием газообразного оксида углерода (IV) и жидкой воды выделяется 63,00 кДж теплоты. Рассчитайте по этим данным мольную энтальпию горения этилена и запишите термохимическое уравнение реакции. Вычислите энтальпию образования С 2 Н 4(Г) и сравните полученное значение с литературными данными (приложение).

Решение. Составляем и уравниваем химическую часть требующегося термохимического уравнения:

С 2 Н 4(Г) + 3О 2(Г) = 2СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ;  Н = ?

Создаваемое термохимическое уравнение описывает горение 1 моль, т.е. 22,4 л этилена. Необходимую для него мольную теплоту горения этилена находим из пропорции:

1л -- 63,00 кДж 22,4·63,00

22,4 л -- Q кДж Q = ------ =

1410,96 кДж

Н = -Q , термохимическое уравнение горения этилена имеет вид: С 2 Н 4(Г) + 3О 2(Г) = 2СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ;  Н = -1410,96 кДж

Для расчета энтальпии образования С 2 Н 4(Г) привлекаем следствие из закона Гесса: ΔН (Х.Р.) = ∑ΔН 0 (прод.) - ∑ΔН 0 (исх.).

Используем найденную нами энтальпию горения этилена и приведенные в приложении энтальпии образования всех (кроме этилена) участников процесса.

1410,96 = 2·(-393,51) + 2·(-285,84) - ΔН 0 (С 2 Н 4(Г) ) - 3·0

Отсюда ΔН 0 (С 2 Н 4(Г) ) = 52,26 кДж/моль. Это совпадает со значением, приведенным в приложении и доказывает правильность наших вычислений.

Пример 3. Напишите термохимическое уравнение образования метана из простых веществ, вычислив энтальпию этого процесса из следующих термохимических уравнений:

СН 4(Г) + 2О 2(Г) = СО 2(Г) + 2Н 2 О (Ж) ΔН 1 = -890,31 кДж (1)

С (ГРАФИТ) + О 2(Г) = СО 2(Г)  Н 2 = -393,51 кДж (2)

Н 2(Г) + ½О 2(Г) = Н 2 О (Ж)  Н 3 = -285,84 кДж (3)

Сравните полученное значение с табличными данными (приложение).

Решение. Составляем и уравниваем химическую часть требующегося термохимического уравнения:

С (ГРАФИТ) + 2Н 2(Г) = СН 4(Г)  Н 4 =  Н 0 (СН 4(Г)) ) =? (4)

С термохимическими уравнениями можно оперировать так же, как и с алгебраическими. Мы должны в результате алгебраических действий с уравнениями 1, 2 и 3 получить уравнение 4. Для этого следует уравнение 3 умножить на 2, результат сложить с уравнением 2 и вычесть уравнение 1.

2Н 2(Г) + О 2(Г) = 2Н 2 О (Ж)  Н 0 (СН 4(Г) ) = 2  Н 3 +  Н 2 -  Н 1

+ С (ГРАФИТ) + О 2(Г) + СО 2(Г)  Н 0 (СН 4(Г) ) = 2(-285,84)

- СН 4(Г) - 2О 2(Г) -СО 2(Г) - 2Н 2 О (Ж) + (-393,51)

С (ГРАФИТ) + 2Н 2(Г) = СН 4(Г)  Н 0 (СН 4(Г) ) = -74,88 кДж

Это совпадает со значением, приведенным в приложении, что доказывает правильность наших вычислений.

Последние статьи

2024-05-11 00:53:23
Как правильно варить варенье
2024-05-11 00:53:23
Молоток для отбивают мясо на отбивные
2024-05-10 00:54:26
Соус из брусники Утка в брусничном соусе в духовке