Вычисление энтальпии химического процесса

Задача 109.
Для приведенной реакции: СН₃OH = CH₂O + H₂.
1.  вычислить стандартный тепловой эффект реакции при постоянном давлении.
2.  привести термодинамическую характеристику реакции.
3.  вычислить теплоту реакции получения продукта массой m (mCH₂O = 1,5 кг) при постоянном давлении.
4.  вычислить стандартный тепловой эффект реакции при постоянном объеме.
Решение:

∆H°fCН₃ОН(г) = -201 кДж/моль;
∆H°fCН₂О(г) = -115,9 кДж/моль;
m(CH₂O) = 1,5 кг = 1500 г;
М(CH₂O) = 30 г/моль;
∆H = ?
∆U =?

1. Рассчитаем стандартный тепловой эффект реакции, при постоянном давлении, используя положение закона Гесса:

∆H(х.р) = ∆H(обр.конечн.) – ∆H(обр.нач.).

Тогда

∆Н(х.р.) = ∆Н°fCH₂O(г) - ∆Нf°СН₃OH(г)  =
= -115,9 - (-201) =  85,1 кДж.

2.  Термодинамическая характеристика реакции ∆H°fCН₃ОН(г) = -201 кДж/моль

∆H°fCН₂О(г) = -115,9 кДж/моль;
S°fCН₃ОН(г) = 239,76 Дж/(моль ^. К);
S°fCН₂О(г) = 218,78 Дж/(моль ^. К);
∆H(х.р). = 85,1 кДж/моль.

СН₃OH(г) = CH₂O(г) + H₂(г), ∆Н = 85,1 кДж (-Q)  - термохимическое уравнение реакции.

3. Рассчитаем теплоту реакции получения формальдегида

n(CH₂O) = m(CH₂O)/M(CH₂O) = 1500/30 = 50 моль;
Q(реакции) = n(CH₂O) ^. -∆Н = 50 ^. -85,1 = 4255 кДж.

4. Рассчитаем стандартный тепловой эффект реакции при постоянном давлении, используя уравнение

Изменение внутренней энергии и изменение энтальпии связаны формулами:

∆H = ∆U + ∆nR

ИЛИ

∆H - ∆U = ∆nRT, где ∆n – изменение числа молей газообразных продуктов в ходе реакции.

Таким образом, соотношение ∆H и ∆U определяется знаком ∆n.

Для реакции:

СН₃OH(г) = CH₂O(г) + H₂(г);
∆n = (1 + 1) – (1) = 1;
∆n > 0, следовательно ∆H > ∆U.

Определим разницу ∆H – ∆U при T = 298 К:

∆H – ∆U = ∆nRT = (1)8,314 · 298 =
= 2477,57 Дж = 2,48 кДж.

Тогда

∆U = ∆H – ∆nRT = 85,1 - 2,48 = 82,62 кДж.
 

Задача 110. 
Определить, чему равно изменение энтальпии термического разложения 278 г тетраиодида титана, если его стандартная энтальпия образования составляет - 92 ккал/ моль.
Решение:
M(TiI4) = 555,5 г/моль.

Уравнение реакции термического разложения тетраиодида титана:

TiI₄ = Ti + 2I₂.

Так как энтальпии простых веществ равны нулю, то энтальпия термического разложения тетраиодида титана численно равна его стандартной энтальпии образования - 92 ккал/ моль.

Тогда

n(TiI₄) = m(TiI₄)/M(TiI₄) = 278/555,5 = 0,5 моль;
∆Н°х.р. = n(TiI₄) ^. ∆Н°(TiI₄) = 0,5 ^. 92 = 46 ккал.
 

Задача 111.
При взаимодействии 1/3 моля красного фосфора с 11,2 л хлора(н.у.) выделилось 23 ккал теплоты. Определить энтальпию образования полученного соединения, ккал/моль.
Решение:
1. Рассчитаем соотношение количества фосфора и хлора, взятых в реакцию, получим:

P : Cl₂ = 1/3 : 11,2/22,4 = 1/3 : 1/2 =
= (1/3)/(1/3) : (1/2)/(1/3) = 1 : 1,5 = 2 : 3.

Значит 2 моля фосфора реагируют с 3 молями хлора, т.е. реакция имеет вид:

2P + 3Cl₂ = 2PCl₃.

2. Рассчитаем энтальпию реакции, получим:

1/2 : 23 = 3 : х;
х = (3 ^. 23)/(1/2) = 138 ккал/моль, т.е Q = -ΔH = 138 ккал/моль.

Ответ: ΔH = -138 ккал/моль.
 

Задача 112.
Сколько тепла требуется, чтобы получить 3 м³ синтез-газа СО + Н₂ при нормальных условиях по уравнению:
С (графит) + Н₂О(г) = СО(г) + Н₂(г)?
Решение:
∆H°Н₂О(г) = −241,82 кДж/моль;
∆H°СО(г) = -110,5 кДж/моль.

1. Рассчитаем ∆H(х.р.), используя положение закона Гесса:

∆H(х.р). = ∆H(обр.конечн.) – ∆H(обр.нач.).

Тогда

∆Н(х.р.) = ∆Н°СО(г) - ∆Н°Н₂О(г)  =
= -110,5 - (−241,82) =  131,32 кДж.

2. Рассчитаем сколько тепла требуется, чтобы получить 3 м3 синтез-газа

Уравнение реакции имеет вид:

С (графит) + Н₂О(г) =
= СО(г) + Н₂(г), ∆Н = 131,32 кДж.

Из уравнения вытекает, что для получения 22,4 моль синтез-газа требуется 131,32 кДж.

Тогда

22,4 ---- 131,32 
1000 ---- х
х = (1000 ^. 22,4)/22,4 = 1000 кДж.
Q = -∆Н = -1000 кДж.

Ответ: Q = -1000 кДж.
 

Задача 113. 
Как изменяются энтальпия и энтропия системы в процессе растворения твердого вещества?
Решение:
Растворение твердых веществ часто идет с поглощением теплоты (АН > 0) и обычно сопровождается ростом энтропии (AS > 0). 
Объясняется это тем, что при растворении веществ связь между частицами (молекулами, атомами, ионами) в растворенном веществе и растворителе разрушается, что связано с поглощением теплоты (АН > 0). 
Энтропия растворения – это мера хаоса или беспорядка, которая возникает при растворении вещества в растворителе. 
При растворении твердого вещества в растворителе происходит перемешивание молекул вещества и растворителя, что приводит к увеличению хаоса или беспорядка в системе. Переход системы из более устойчивого состояния (кристалл) в мене устойчивое (жидкость) приводит к увеличению энтропии системы (AS > 0).