Теоретическое введение

Лабораторная работа 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ РЕАКЦИИ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ

Цель работы: изучить основные понятия термохимии (экзо- и эндотермические реакции, тепловой эффект, энтальпия, энтальпия образования вещества), закон Гесса и следствие из закона Гесса.

Задание: провести реакцию нейтрализации и определить повышение температуры. На основании полученных данных рассчитать теплоту и тепловой эффект реакции. Выполнить требования к результатам работы, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии (чаще всего теплоты). Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими, а с поглощением теплоты – эндотермическими. Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, равен изменению энтальпии системы ΔН. При экзотермической реакции энтальпия системы уменьшается (ΔН < 0), а при эндотермической – энтальпия системы увеличивается (ΔН > 0).

Если исходные вещества и продукты реакции находятся в стандартном состоянии, то в этом случае энтальпию реакции называют стандартной и обозначают ΔН⁰.

Определение тепловых эффектов может быть осуществлено опытным путем с помощью калориметра или путем вычислений. В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: тепловой эффект химической реакции (т. е. изменение энтальпии Δ Н) зависит только от начального и конечного состояния участвующих в реакции веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Например, стандартная энтальпия реакции nА + mВ → рС + qD рассчитывается по формуле

ΔН ⁰_х..р == (р Δ _f Н ⁰ _С + q Δ _f Н ⁰_{, D}) − (n Δ _f Н ⁰ _А + mΔ _f Н⁰_B),

где Δ _f Н⁰ – стандартная энтальпия образования вещества.

Стандартной энтальпией образованиявещества называется стандартная энтальпия реакции образования 1 моль данного вещества из простых веществ.

Температура Т, К	Изменение энтальпии ∆Н, кДж	∆Н^0нейтр.практ, кДж/моль	∆Н^0нейтр. теор, кДж/моль	Относит. ошибка опыта Е, %
начальная	конечная
		-1.463	-58.5	-55.6

1. Изменение энтальпии реакции ∆Н по формуле

ΔH = −V ∙ ∙ c ∙ ΔТ,

где V – общий объем раствора, мл; – плотность раствора г/мл; с – теплоемкость раствора, Дж/(г ∙ К); ΔТ – разность между конечной и начальной температурами. Принять плотность раствора после нейтрализации равной 1 г/мл, а

теплоемкость его − равной теплоемкости воды, т. е. 4,18 Дж/(г ∙ К).

ΔH= -50∙1∙4.18∙7=1.463 кДж

2. Тепловой эффект реакции нейтрализации ∆Н⁰_{нейтр.практ} в расчете на 1 моль эквивалентов кислоты. Так как 1 моль эквивалентов кислоты содержится в 1 л (1000 мл) раствора, а для реакции было взято 25 мл, то

= (-1.463∙1000)/25=-58.5 кДж/моль

3. Теоретическое значение изменение энтальпии реакции нейтрализации для уравнения Н⁺ + ОН^‾ → Н₂О. Энтальпии образования Δ _f Н⁰ Н⁺, ОH^‾ и Н₂О соответственно равны 0, -230,2 и -285,8 кДж/моль.

ΔН⁰_{нейтр.теор.}= ∑ΔН⁰_прод. - ∑ΔН⁰_{исх.в-в.} = -285.8 – (-230.2)=-55.6 кДж/моль

4. Относительную ошибку опыта (Е)

= 5%

Задачи

3.4.

а). Вычислить, сколько теплоты выделится при сгорании 165 л ацетилена при нормальных условиях, если продуктами сгорания являются диоксид углерода и пары воды. (Ответ: 9248,8 кДж).

б). Возможна ли при стандартных условиях реакция

4Al (к) + 3CO2 (г) = 2Al2O3 (к) + 3C (к)?

Ответ обосновать, вычислив Δ G° х.р..

Решение. а) Реакция горения ацетилена протекает по уравнению

С2Н2 (г) + 5½О2 (г) = 2СО2 (г) + Н2О (г).

Пользуясь следствием из закона Гесса и справочными данными из табл. Б.1, вычисляем тепловой эффект реакции:

ΔH⁰_х.р.=(2 Δ_fH⁰_СО2 + Δ_fH⁰_Н2О)-(Δ_fH⁰_С2Н2 + 5½Δ_fH⁰_О2)

ΔH⁰_х.р.=([2∙(–393,5) + (–241,8)] − [226,8 + 5½∙0] = –1255,6 кДж.

Термохимическими называются уравнения химических реакций, в которых указано изменение энтальпии. Изменение энтальпии (тепловой эффект) записывают в правой части уравнения после запятой.

Термохимическое уравнение реакции горения ацетилена имеет вид:

С2Н2 (г) + 5½О2 (г) = 2СО2 (г) + Н2О (г), ΔH⁰_х.р = –1255,6 кДж.

Тепловой эффект обычно относят к одному молю вещества. Следовательно, при сжигании 1 моль С2Н2 выделяется 1255,6 кДж. Однако по условию задачи сжигается 165 л ацетилена, что составляет 165/22,4 = 7,366 моль С2Н2, где 22,4 л/моль – мольный объем любого газа при нормальных условиях. Таким образом, при сгорании 7,366 моль (165 л) С2Н2 выделится 7,366×(1255,6) = 9248,8 кДж теплоты.

Ответ: 9248,8 кДжтеплоты выделится при сгорании 165 л ацетилена при нормальных условиях

Решение б) Возможна ли при стандартных условиях реакция

4Al (к) + 3CO2 (г) = 2Al2O3 (к) + 3C (к)?

Направление протекания химической реакции определяет энергия Гиббса (Δ G). Изменение энергии Гиббса в результате химической реакции равно сумме энергий Гиббса образования продуктов реакции за вычетом суммы энергий Гиббса образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Формула для расчета изменение энергии Гиббса изучаемой реакции имеет вид

ΔG⁰_х.р.=(2Δ_fG⁰_Al2O3 +3Δ_fG⁰_C)-(4Δ_fG⁰_Al + 3Δ_fH⁰_CO2)

Значения Δ f G° берем из табл. Б. 1 и получаем

ΔG⁰_х.р.= [2∙(-1580) + 3∙0] − [4∙0 + 3∙(–394,4)] = -1976,8 кДж.

При р = const, T = const реакция самопроизвольно протекает в том направлении, которому отвечает убыль энергии Гиббса. Если Δ G < 0, то реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении. Если Δ G > 0, то самопроизвольное протекание процесса в прямом направлении невозможно. Если Δ G = 0, то реакция может протекать как в прямом направлении, так и в обратном, и система находится в состоянии равновесия.

Так как Δ G° х.р. = -1976,8 кДж, т.е. Δ G < 0, то самопроизвольное протекание данной реакции в прямом направлении в стандартных условиях возможно.

Ответ: реакция 4Al (к) + 3CO2 (г) = 2Al2O3 (к) + 3C (к) возможна при стандартных условиях.

3.6.

а). Вычислить, какое количество теплоты выделилось при восстановлении Fe2O3 металлическим алюминием, если было получено 335,1 г железа.

(Ответ: 2554,5 кДж).

б). Рассчитать Δ G° реакции, протекающей по уравнению

N2 (г) + 2H2O (ж) = NH4NO2 (к),

и сделать вывод о возможности ее протекания. Δ_fG⁰_NH4NO2 = 115,9 кДж/моль

(Ответ: 590,5 кДж).

Решение: а) Fe₂O₃ +2Al= Al₂O₃ +2Fe

ΔH⁰_{прост.в-в.}=0

ΔH⁰_х.р.=Δ_fH⁰_Al2O3 - Δ_fH⁰_Fe2O3=-1676-(-822.2)= -853,8Дж

n(Fe) = 335.1/56= 6 моль

Q>0 если ΔH⁰<0

2 моль- 853,8 кДж

6 моль- х кДж

Х= 2554.5 кДж

Ответ: 2554,5 кДж теплоты выделилось при восстановлении Fe2O3 металлическим алюминием

Решение: б) N2 (г) + 2H2O (ж) = NH4NO2 (к),

Δ_fG⁰_NH4NO2 = 115,9 кДж/моль

Пользуясь следствием из закона Гесса и справочными данными из табл. Б.1, вычисляем ΔG⁰_х.р.:

Так как ΔG⁰_{прост.в-в}=0, то ΔG⁰_х.р.= Δ_fG⁰_NH4NO2 - 2Δ_fG⁰_Н2О

ΔG⁰_х.р.= 115,9 –2∙(-237,3)=590,5 кДж.

При р = const, T = const реакция самопроизвольно протекает в том направлении, которому отвечает убыль энергии Гиббса. Если Δ G < 0, то реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении. Если Δ G > 0, то самопроизвольное протекание процесса в прямом направлении невозможно. Если Δ G = 0, то реакция может протекать как в прямом направлении, так и в обратном, и система находится в состоянии равновесия.

Ответ: Так как Δ G° х.р. = -1976,8 кДж, т.е. Δ G < 0, то самопроизвольное протекание данной реакции в прямом направлении в стандартных условиях невозможно.

3.15.

а). Определить стандартную энтальпию образования пентахлорида фосфора РСl5 из простых веществ, исходя из следующих термохимических уравнений:

2Р + 3Сl2 = 2РСl3, Δ Н° = –554,0 кДж;

РСl3 + Сl2 = РСl5, Δ Н° = –92,4 кДж.

(Ответ: –369,4 кДж/моль).

б). При какой температуре наступит равновесие системы

4HCl (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2Cl2 (г), Δ Н° х.р. = –114,4 кДж.

S⁰_Сl2 = 223 Дж/моль∙К; S⁰_HСl = 186,7 Дж/(моль∙К)? (Ответ: 891 К).

Решение: а) (1)2Р + 3Сl2 = 2РСl3, Δ Н° = –554,0 кДж;

(2) РСl3 + Сl2 = РСl5, Δ Н° = –92,4 кДж.

Так как ΔH⁰_{прост.в-в}=0 то ΔH⁰_х.р.=2 Δ_fH⁰_РСl3 следовательно

Δ_fH⁰_РСl3= = = -277 кДж/моль.

ΔH⁰_х.р.= Δ_fH⁰_РСl5 - Δ_fH⁰_РСl3

Δ_fH⁰_РСl5 = ΔH⁰_х.р. + Δ_fH⁰_РСl3

Δ_fH⁰_РСl5 = -92.4 – 277 = 369,2 кДж/моль

Ответ: Δ_fH⁰_РСl5 = 369,4 кДж/моль

Решение: б) 4HCl (г) + O2 (г) = 2H2O (г) + 2Cl2 (г), Δ Н° х.р. = –114,4 кДж.

S⁰_Сl2 = 223 Дж/(моль∙К)

S⁰_HСl = 186,7 Дж/(моль∙К)

Пользуясь следствием из закона Гесса и справочными данными из табл. Б.1, вычисляем энтропию реакции:

Δ S° х.р_.=(2S⁰_H2O +2S⁰_Cl2)-(4S_HCl + S_O2)

Δ S° х.р_.=(2∙188,7 + 2∙223)-(4∙186,7 + 205)=-128,4 Дж/(моль∙К)

Δ S° х.р_.=-128,4:1000= -0,1284 кДж/(моль∙К)

Если Δ G = 0, то реакция может протекать как в прямом направлении, так и в обратном, и система находится в состоянии равновесия, то температура рассчитывается по формуле

Ответ: Т=891 К

Дата добавления: 2015-10-24