احسب التأثير الحراري للتفاعل عبر الإنترنت. حساب التأثيرات الحرارية القياسية للتفاعلات الكيميائية من درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد الداخلة في التفاعل

حرارة التفاعل (التأثير الحراري للتفاعل) هي مقدار الحرارة المنبعثة أو الممتصة Q. إذا تم إطلاق الحرارة أثناء التفاعل ، يسمى هذا التفاعل طارد للحرارة ، إذا تم امتصاص الحرارة ، يسمى التفاعل ماص للحرارة.

يتم تحديد حرارة التفاعل بناءً على القانون الأول (البداية) للديناميكا الحرارية ،الذي تعبيره الرياضي في أبسط أشكاله ل تفاعلات كيميائيةهي المعادلة:

س = ΔU + рΔV (2.1)

حيث Q هي حرارة التفاعل ، ΔU هي التغير في الطاقة الداخلية ، p هي الضغط ، ΔV هو التغير في الحجم.

يتكون الحساب الحراري الكيميائي في تحديد التأثير الحراريتفاعلات.وفقًا للمعادلة (2.1) ، تعتمد القيمة العددية لحرارة التفاعل على طريقة تنفيذها. في عملية متوازنة يتم إجراؤها عند V = const ، حرارة التفاعل Q V =Δ U ، في عملية متساوية الضغط عند p = تأثير حراري ثابت Q P =Δ ح.وبالتالي ، فإن الحساب الحراري الكيميائي هو الخامستحديد مقدار التغيير في الطاقة الداخلية أو المحتوى الحراري أثناء التفاعل. نظرًا لأن الغالبية العظمى من التفاعلات تتم في ظل ظروف متساوية الضغط (على سبيل المثال ، فهذه كلها تفاعلات في الأوعية المفتوحة التي تحدث في الضغط الجوي) ، عند إجراء الحسابات الحرارية الكيميائية ، يتم حساب ΔН دائمًا تقريبًا . لوΔ ح<0, то реакция экзотермическая, если же Δ H> 0 ، يكون التفاعل ماصًا للحرارة.

يتم إجراء الحسابات الحرارية الكيميائية باستخدام أي من قانون هيس ، والذي وفقًا لموجبه لا يعتمد التأثير الحراري لعملية ما على مسارها ، ولكن يتم تحديده فقط من خلال طبيعة وحالة المواد الأولية ومنتجات العملية ، أو في أغلب الأحيان ، نتيجة قانون هيس: التأثير الحراري للتفاعل يساوي المجموعتسخين (المحتوى الحراري) لتكوين المنتجات مطروحًا منه مجموع الحرارة (المحتوى الحراري) لتكوين المواد المتفاعلة.

في الحسابات وفقًا لقانون Hess ، يتم استخدام معادلات التفاعلات المساعدة ، والتي تُعرف التأثيرات الحرارية لها. إن جوهر العمليات الحسابية وفقًا لقانون هيس هو أن مثل هذه العمليات الجبرية يتم إجراؤها على معادلات التفاعلات المساعدة التي تؤدي إلى معادلة تفاعل ذات تأثير حراري غير معروف.

مثال 2.1. تحديد حرارة التفاعل: 2CO + O 2 \ u003d 2CO 2 ΔH -؟

نستخدم ردود الفعل كمساعد: 1) C + O 2 \ u003d C0 2 ؛Δ H 1 = -393.51 كيلو جول و 2) 2C + O 2 = 2CO ؛Δ H 2 \ u003d -220.1 كيلو جول ، أينΔ غير متاحΔ H 2 - التأثيرات الحرارية للتفاعلات المساعدة. باستخدام معادلات هذه التفاعلات ، يمكن للمرء الحصول على معادلة تفاعل معين إذا تم ضرب المعادلة المساعدة 1) في اثنين وطرح المعادلة 2) من النتيجة. لذلك ، فإن الحرارة غير المعروفة لتفاعل معين هي:

Δ ع = 2Δ H1-Δ H 2 \ u003d 2 (-393.51) - (-220.1) \ u003d -566.92 كيلو جول.

إذا كان في الحساب الحراري الكيميائييتم استخدام النتيجة الطبيعية لقانون هيس ، ثم بالنسبة للتفاعل المعبر عنه بالمعادلة aA + bB = cC + dD ، يتم استخدام العلاقة:

ΔН = (сΔНоbr، с + dΔHobr D) - (аоbr A + bΔН arr، c) (2.2)

أين ΔН هي حرارة التفاعل ؛ ΔH o br - حرارة (المحتوى الحراري) لتكوين نواتج التفاعل C و D والكواشف A و B على التوالي ؛ ج ، د ، أ ، ب - المعاملات المتكافئة.

الحرارة (المحتوى الحراري) لتكوين المركب هي التأثير الحراري للتفاعل الذي يتم خلاله تكوين 1 مول من هذا المركب من مواد بسيطة في مراحل وتعديلات ديناميكية حرارية ثابتة 1 *. على سبيل المثال , تساوي حرارة تكوين الماء في حالة البخار نصف حرارة التفاعل ، معبراً عنها بالمعادلة: 2H 2 (g)+ حوالي 2 (د)= 2H 2 O (ز).وحدة حرارة التكوين هي كيلوجول / مول.

في الحسابات الحرارية الكيميائية ، عادةً ما يتم تحديد درجات حرارة التفاعلات للظروف القياسية ، والتي تأخذ الصيغة (2.2) الشكل:

ΔН ° 298 = (сΔН ° 298، arr، С + dΔH ° 298، o 6 p، D) - (аΔН ° 298، arr A + bΔН ° 298، arr، c)(2.3)

حيث ΔH ° 298 هي الحرارة القياسية للتفاعل بالكيلوجول (يشار إلى القيمة القياسية بالحرف المرتفع "0") عند درجة حرارة 298 كلفن ، و ΔH ° 298 ، arr هي درجات الحرارة القياسية (المحتوى الحراري) للتكوين أيضًا عند درجة حرارة من 298 ألفًا. ΔH ° قيم 298 rev.يتم تعريفها لجميع الاتصالات وهي بيانات مجدولة. 2 * - انظر جدول التطبيق.

مثال 2.2. حساب الحرارة القياسية صه الأسهم المعبر عنها بالمعادلة:

4NH 3 (r) + 5O 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 O (g).

وفقًا للنتيجة الطبيعية لقانون هيس ، نكتب 3 *:

Δ ع 0298 = (4Δ H 0 298. o b p. لا + 6∆H0 298. كود N20) - 4∆H0 298 ص. NH h. باستبدال القيم المجدولة للحرارة القياسية لتكوين المركبات المقدمة في المعادلة ، نحصل على:Δ ح ° 298= (4 (90.37) + 6 (-241.84)) - 4 (-46.19) = - 904.8 كيلوجول.

تشير العلامة السلبية لحرارة التفاعل إلى أن العملية طاردة للحرارة.

في الكيمياء الحرارية ، من المعتاد الإشارة إلى التأثيرات الحرارية في معادلات التفاعل. هذه تسمى المعادلات ذات التأثير الحراري المعين بالحرارة الكيميائية.على سبيل المثال، تتم كتابة المعادلة الحرارية الكيميائية للتفاعل المدروس في المثال 2.2:

4NH 3 (g) + 50 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 0 (g) ؛Δ H ° 29 8 = - 904.8 كيلوجول.

إذا كانت الظروف تختلف عن الظروف القياسية ، فإنه يسمح في الحسابات الحرارية الكيميائية العملية شياالاستخدام التقريبي: Δ ح ≈Δ رقم 298 (2.4)التعبير (2.4) يعكس ضعف اعتماد حرارة التفاعل على ظروف حدوثه.

مهمة #6

احسب متوسط ​​السعة الحرارية للمادة الواردة في الجدول. 6 ، في درجة حرارة تتراوح من 298 إلى تيل.

الجدول 6

حل:

ضع في اعتبارك حساب متوسط ​​السعة الحرارية للأمونيا في نطاق درجة الحرارة من 298 إلى 800 ل.

السعة الحرارية- هذه هي نسبة كمية الحرارة التي يمتصها الجسم أثناء التسخين إلى زيادة درجة الحرارة المصاحبة للتدفئة. لمادة فردية ، هناك محدد(كيلوغرام واحد) و الضرس(مول واحد) السعة الحرارية.

السعة الحرارية الحقيقية

, (21)

أين δ س هي كمية الحرارة المتناهية الصغر المطلوبة لرفع درجة حرارة الجسم بكمية متناهية الصغر دي تي .

متوسط ​​السعة الحراريةهي نسبة الحرارة سلارتفاع درجة الحرارة ∆ تي = تي 2 – تي 1 ,

.

نظرًا لأن الحرارة ليست وظيفة حالة وتعتمد على مسار العملية ، فمن الضروري تحديد شروط حدوث عملية التسخين. في عمليات متساوية الضغط ومتساوية الضغط من أجل تغيير متناهي الصغر δ س الخامس = دو و δ س ص = د، لهذا

و
. (22)

اتصال بين متساوي الصدر صحيح(مع الخامس) و متساوى الضغط (ج ص) القدرات الحراريةالمواد و متوسطمتساوي الصدر
و متساوي الضغط
القدرات الحراريةفي نطاق درجة الحرارة من تي 1 قبل تي 2 يتم التعبير عنها بالمعادلتين (23) و (24):

; (23)

. (24)

يتم التعبير عن اعتمادات السعة الحرارية الحقيقية على درجة الحرارة من خلال المعادلات التجريبية التالية:

؛ (لا المواد العضوية) (25)

. (للمواد العضوية) (26)

دعنا نستخدم الكتاب المرجعي للكميات الفيزيائية والكيميائية. دعونا نكتب المعاملات (أ ، ب ، ج) من المعادلة لاعتماد السعة الحرارية متساوية الضغط للأمونيا على درجة الحرارة:

الجدول 7

نكتب معادلة اعتماد السعة الحرارية الحقيقية للأمونيا على درجة الحرارة:

.

نستبدل هذه المعادلة بالصيغة (24) ونحسب متوسط ​​السعة الحرارية للأمونيا:

= 1/(800-298)
=

0.002 = 43.5 جول / مول ك.

المهمة رقم 7

للتفاعل الكيميائي الوارد في الجدول. 2 ، ارسم مجموع السعات الحرارية لمنتجات التفاعل كدالة لدرجة الحرارة
ومجموع السعات الحرارية للمواد الأولية على درجة الحرارة
. معادلات التبعية
خذها من الكتيب. احسب التغير في السعة الحرارية أثناء تفاعل كيميائي (
) عند درجات حرارة 298 كلفن و 400 كلفن و تيك (الجدول 6).

حل:

دعونا نحسب التغير في السعة الحرارية عند درجات حرارة 298 كلفن و 400 كلفن و 600 كلفن باستخدام تفاعل تخليق الأمونيا كمثال:

دعونا نكتب المعاملات (أ ، ب ، ج ، ج /) 1 من المعادلات لاعتماد السعة الحرارية الحقيقية للأمونيا على درجة حرارة المواد الأولية ونواتج التفاعل ، مع مراعاة المعاملات المتكافئة . دعنا نحسب مجموع المعاملات. على سبيل المثال ، مجموع المعاملات ألبدء المواد يساوي

= 27.88 + 3 27.28 = 109.72.

مجموع المعاملات ألمنتجات التفاعل

= 2 29.8 = 59.6.

=
=59,6 – 109,72 = –50,12.

الجدول 8

وهكذا ، فإن معادلة التبعية

لمنتجات التفاعل لها الشكل التالي:

= 59.60 + 50.96 10 -3 طن - 3.34 10 5 / طن 2.

لتخطيط اعتماد مجموع السعة الحرارية لنواتج التفاعل على درجة الحرارة
احسب مجموع السعات الحرارية عند درجات حرارة متعددة:

عند T = 298 ك

= 59.60 + 50.96 10-3298 - 3.34 10 5/298 2 \ u003d 71.03 J / K ؛

في T = 400 ك
= 77.89 جول / كلفن ؛

عند T = 600 ك
= 89.25 جول / ك.

معادلة التبعية
لبدء المواد له شكل:

= 109.72 + 14.05 10 -3 طن + 1.50 10 -5 / طن 2.

وبالمثل نحسب
بدء المواد في درجات حرارة مختلفة:

عند T = 298 ك

= 109.72 + 14.05 10-3298 + 1.50 10 5/298 2 \ u003d 115.60 جول / كلفن ؛

عند T = 400 ك
= 116.28 جول / كلفن ؛

عند T = 600 ك
= 118.57 جول / ك.

بعد ذلك ، نحسب التغير في السعة الحرارية متساوية الضغط
أثناء التفاعل عند درجات حرارة متعددة:

= -50.12 + 36.91 10 -3 طن - 4.84 10 5 / طن 2 ،

= -44.57 جول / كلفن ؛

= -38.39 جول / ك ؛

= -29.32 جول / ك.

بناءً على القيم المحسوبة ، نقوم ببناء الرسوم البيانية للاعتماد على مجموع السعات الحرارية لنواتج التفاعل ومجموع السعات الحرارية لمواد البداية على درجة الحرارة.

الشكل 2. الاعتماد على السعات الحرارية الكلية للمواد الأولية ونواتج التفاعل على درجة حرارة تفاعل تخليق الأمونيا

في نطاق درجة الحرارة هذا ، تكون السعة الحرارية الإجمالية لمواد البدء أعلى من السعة الحرارية الإجمالية للمنتجات ، وبالتالي ،
على مدى درجة الحرارة الكاملة من 298 كلفن إلى 600 كلفن.

المهمة رقم 8

احسب التأثير الحراري للتفاعل الوارد في الجدول. 2 ، في درجة الحرارة تيك (الجدول 6).

حل:

دعونا نحسب التأثير الحراري لتفاعل تخليق الأمونيا عند درجة حرارة 800 ل.

اعتماد التأثير الحراري
يصف استجابة درجة الحرارة قانون كيرشوف

, (27)

أين
- تغير في السعة الحرارية للنظام أثناء التفاعل. دعنا نحلل المعادلة:

1) إذا
> 0 ، أي أن مجموع السعات الحرارية لنواتج التفاعل أكبر من مجموع السعات الحرارية لمواد البداية ، ثم > 0 ،. مدمن
مع زيادة درجة الحرارة وزيادة درجة الحرارة ، يزداد التأثير الحراري.

2) إذا
< 0, то< 0, т.е. зависимость убывающая, и с повышением температуры тепловой эффект уменьшается.

3) إذا
= 0 إذن = 0 ، التأثير الحراري لا يعتمد على درجة الحرارة.

في شكل متكامل ، تحتوي معادلة كيرشوف على الشكل التالي:

. (28)

أ) إذا لم تتغير السعة الحرارية أثناء العملية ، أي مجموع السعات الحرارية لنواتج التفاعل يساوي مجموع السعات الحرارية لمواد البداية (
) ، فإن التأثير الحراري لا يعتمد على درجة الحرارة

= const.

ب) ل حساب تقريبييمكننا إهمال اعتماد السعات الحرارية على درجة الحرارة واستخدام قيم السعات الحرارية المتوسطة للمشاركين في التفاعل (
). في هذه الحالة ، يتم الحساب وفقًا للصيغة

ج) ل حساب دقيقهناك حاجة إلى بيانات حول اعتماد السعة الحرارية لجميع المشاركين في التفاعل على درجة الحرارة
. في هذه الحالة ، يتم حساب التأثير الحراري بواسطة الصيغة

(30)

نكتب البيانات المرجعية (الجدول 9) ونحسب التغييرات في القيم المقابلة لكل عمود بالتشابه مع المهمة رقم 7). نستخدم البيانات التي تم الحصول عليها لحساب:

تقريبًا:

\ u003d -91880 + (-31.88) (800-298) \ u003d -107883.8 J \ u003d - 107.88 كيلو جول.

\ u003d -91880 + (-50.12) (800-298) + 1/2 36.91 10 -3 (800 2-298 2) +

- (-4.84 10 5) (1/800 - 1/298) \ u003d - 107815 J \ u003d - 107.82 كيلو جول.

لتفاعل تخليق الأمونيا ، التغير في السعة الحرارية أثناء التفاعل
< 0 (см. задачу №7). Следовательно< 0, с повышением температуры тепловой эффект уменьшается.

الجدول 9

يمارس 81.
احسب كمية الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء تقليل الحديد 2O3 الألمنيوم المعدني إذا تم الحصول على 335.1 جم من الحديد. الجواب: 2543.1 كيلوجول.
حل:
معادلة التفاعل:

\ u003d (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) \ u003d -1669.8 - (-822.1) \ u003d -847.7 كيلو جول

حساب كمية الحرارة التي يتم إطلاقها عند استلام 335.1 جم من الحديد ، ننتج من النسبة:

(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X ؛ س = (0847.7 . 335,1)/ (2 . 55.85) = 2543.1 كيلوجول ،

حيث 55.85 الكتلة الذريةغدة.

إجابة: 2543.1 كيلوجول

التأثير الحراري للتفاعل

المهمة 82.
الغازي الإيثانوليمكن الحصول على C2H5OH عن طريق تفاعل الإيثيلين C 2 H 4 (g) وبخار الماء. اكتب المعادلة الحرارية الكيميائية لهذا التفاعل ، بعد حساب تأثيره الحراري مسبقًا. الجواب: -45.76 كيلوجول.
حل:
معادلة التفاعل هي:

C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) \ u003d C2H 5 OH (g) ؛ =؟

يتم إعطاء قيم درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد في جداول خاصة. مع الأخذ في الاعتبار أن درجات حرارة تكوين المواد البسيطة يتم احتسابها بشكل مشروط تساوي الصفر. احسب التأثير الحراري للتفاعل ، باستخدام نتيجة قانون هيس ، نحصل على:

\ u003d (C 2 H 5 OH) - [(C 2 H 4) + (H 2 O)] \ u003d
= -235.1 - [(52.28) + (-241.83)] = - 45.76 كيلوجول

رد فعل المعادلات التي عن الرموز مركبات كيميائيةيشار إلى حالات التجميع أو التعديل البلوري ، وكذلك القيمة العددية للتأثيرات الحرارية ، والتي تسمى الحرارية الكيميائية. في المعادلات الحرارية الكيميائية ، ما لم ينص على خلاف ذلك ، فإن قيم التأثيرات الحرارية عند ضغط متواصل Q p يساوي التغيير في المحتوى الحراري للنظام. عادةً ما يتم إعطاء القيمة في الجانب الأيمن من المعادلة ، مفصولة بفاصلة أو فاصلة منقوطة. يتم قبول الاختصارات التالية للحالة الإجمالية للمادة: جي- الغازي، و- سائل ، ل

إذا تم إطلاق الحرارة نتيجة تفاعل ، إذن< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

C 2 H 4 (g) + H 2 O (g) \ u003d C 2 H 5 OH (g) ؛ = - 45.76 كيلو جول.

إجابة:- 45.76 كيلو جول.

المهمة 83.
احسب التأثير الحراري لتفاعل اختزال أكسيد الحديد (II) مع الهيدروجين ، بناءً على المعادلات الحرارية الكيميائية التالية:

أ) EEO (c) + CO (g) \ u003d Fe (c) + CO 2 (g) ؛ = -13.18 كيلوجول ؛
ب) ثاني أكسيد الكربون (ز) + 1/2 س 2 (ز) = ثاني أكسيد الكربون (ز) ؛ = -283.0 كيلوجول ؛
ج) H 2 (g) + 1/2O 2 (g) = H 2 O (g) ؛ = -241.83 كيلو جول.
الجواب: +27.99 كيلوجول.

حل:
تكون معادلة التفاعل لاختزال أكسيد الحديد (II) مع الهيدروجين الشكل:

EeO (k) + H 2 (g) \ u003d Fe (k) + H 2 O (g) ؛ =؟

\ u003d (H2O) - [(FeO)

يتم إعطاء حرارة تكوين الماء بواسطة المعادلة

H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) = H 2 O (g) ؛ = -241.83 كيلوجول ،

ويمكن حساب حرارة تكوين أكسيد الحديد (II) إذا تم طرح المعادلة (أ) من المعادلة (ب).

\ u003d (ج) - (ب) - (أ) \ u003d -241.83 - [-283.o - (-13.18)] \ u003d + 27.99 كيلو جول.

إجابة:+27.99 كيلوجول.

المهمة 84.
أثناء تفاعل كبريتيد الهيدروجين الغازي وثاني أكسيد الكربون ، يتشكل بخار الماء وثاني كبريتيد الكربون СS 2 (g). اكتب المعادلة الحرارية الكيميائية لهذا التفاعل ، احسب مبدئيًا تأثيره الحراري. الجواب: +65.43 كيلوجول.
حل:
جي- الغازي، و- سائل ل- بلوري. يتم حذف هذه الرموز إذا كانت الحالة الإجمالية للمواد واضحة ، على سبيل المثال ، O 2 ، H 2 ، إلخ.
معادلة التفاعل هي:

2H 2 S (g) + CO 2 (g) \ u003d 2H 2 O (g) + CS 2 (g) ؛ =؟

يتم إعطاء قيم درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد في جداول خاصة. مع الأخذ في الاعتبار أن درجات حرارة تكوين المواد البسيطة يتم احتسابها بشكل مشروط تساوي الصفر. يمكن حساب التأثير الحراري للتفاعل باستخدام النتيجة الطبيعية من قانون هيس:

\ u003d (H 2 O) + (CS 2) - [(H 2 S) + (CO 2)] ؛
= 2 (-241.83) + 115.28 - = +65.43 كيلو جول.

2H 2 S (g) + CO 2 (g) \ u003d 2H 2 O (g) + CS 2 (g) ؛ = +65.43 كيلو جول.

إجابة:+65.43 كيلو جول.

معادلة التفاعل الكيميائي الحراري

المهمة 85.
اكتب المعادلة الحرارية الكيميائية للتفاعل بين CO (g) والهيدروجين ، ونتيجة لذلك يتم تكوين CH 4 (g) و H 2 O (g). مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها أثناء هذا التفاعل إذا تم الحصول على 67.2 لترًا من الميثان من حيث الظروف الطبيعية؟ الجواب: 618.48 كيلوجول.
حل:
معادلات التفاعل التي يشار فيها إلى حالات التجميع أو التعديل البلوري بالقرب من رموز المركبات الكيميائية ، وكذلك القيمة العددية للتأثيرات الحرارية ، تسمى حرارية كيميائية. في المعادلات الحرارية الكيميائية ، ما لم يتم تحديد ذلك على وجه التحديد ، يشار إلى قيم التأثيرات الحرارية عند الضغط الثابت Q p مساوية للتغير في المحتوى الحراري للنظام. عادةً ما يتم إعطاء القيمة في الجانب الأيمن من المعادلة ، مفصولة بفاصلة أو فاصلة منقوطة. يتم قبول الاختصارات التالية للحالة الإجمالية للمادة: جي- الغازي، و- شئ ما ل- بلوري. يتم حذف هذه الرموز إذا كانت الحالة الإجمالية للمواد واضحة ، على سبيل المثال ، O 2 ، H 2 ، إلخ.
معادلة التفاعل هي:

CO (g) + 3H 2 (g) \ u003d CH 4 (g) + H 2 O (g) ؛ =؟

يتم إعطاء قيم درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد في جداول خاصة. مع الأخذ في الاعتبار أن درجات حرارة تكوين المواد البسيطة يتم احتسابها بشكل مشروط تساوي الصفر. يمكن حساب التأثير الحراري للتفاعل باستخدام النتيجة الطبيعية من قانون هيس:

\ u003d (H 2 O) + (CH 4) - (CO)] ؛
\ u003d (-241.83) + (-74.84) ​​- (-110.52) \ u003d -206.16 كيلو جول.

ستبدو المعادلة الحرارية الكيميائية كما يلي:

22,4 : -206,16 = 67,2 : X ؛ س \ u003d 67.2 (-206.16) / 22؟ 4 \ u003d -618.48 كيلو جول ؛ س = 618.48 كيلو جول.

إجابة: 618.48 كيلوجول.

حرارة التكوين

المهمة 86.
التأثير الحراري لأي تفاعل يساوي حرارة التكوين. احسب حرارة تكوين NO من المعادلات الحرارية الكيميائية التالية:
أ) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) \ u003d 4NO (g) + 6H 2 O (g) ؛ = -1168.80 كيلو جول ؛
ب) 4NH 3 (g) + 3O 2 (g) \ u003d 2N 2 (g) + 6H 2 O (g) ؛ = -1530.28 كيلو جول
الجواب: 90.37 كيلوجول.
حل:
الحرارة القياسية للتكوين تساوي حرارة تكوين 1 مول من هذه المادة من مواد بسيطة في ظل الظروف القياسية (T = 298 K ؛ p = 1.0325.105 Pa). يمكن تمثيل تكوين NO من مواد بسيطة على النحو التالي:

1/2N 2 + 1 / 2O 2 = NO

بالنظر إلى التفاعل (أ) حيث يتم تكوين 4 مولات من أكسيد النيتروجين والتفاعل (ب) حيث يتم تكوين 2 مول من N2. كلا التفاعلين يشملان الأكسجين. لذلك ، لتحديد الحرارة القياسية لتكوين NO ، نقوم بتكوين دورة Hess التالية ، أي نحتاج إلى طرح المعادلة (أ) من المعادلة (ب):

وهكذا ، 1 / ​​2N 2 + 1 / 2O 2 = NO ؛ = +90.37 كيلوجول.

إجابة: 618.48 كيلوجول.

المهمة 87.
يتكون كلوريد الأمونيوم البلوري من تفاعل الأمونيا الغازية وكلوريد الهيدروجين. اكتب المعادلة الحرارية الكيميائية لهذا التفاعل ، بعد حساب تأثيره الحراري مسبقًا. ما مقدار الحرارة التي سيتم إطلاقها إذا تم استهلاك 10 لترات من الأمونيا في التفاعل من حيث الظروف العادية؟ الجواب: 78.97 كيلوجول.
حل:
معادلات التفاعل التي يشار فيها إلى حالات التجميع أو التعديل البلوري بالقرب من رموز المركبات الكيميائية ، وكذلك القيمة العددية للتأثيرات الحرارية ، تسمى حرارية كيميائية. في المعادلات الحرارية الكيميائية ، ما لم يتم تحديد ذلك على وجه التحديد ، يشار إلى قيم التأثيرات الحرارية عند الضغط الثابت Q p مساوية للتغير في المحتوى الحراري للنظام. عادةً ما يتم إعطاء القيمة في الجانب الأيمن من المعادلة ، مفصولة بفاصلة أو فاصلة منقوطة. يتم قبول ما يلي ل- بلوري. يتم حذف هذه الرموز إذا كانت الحالة الإجمالية للمواد واضحة ، على سبيل المثال ، O 2 ، H 2 ، إلخ.
معادلة التفاعل هي:

NH 3 (g) + HCl (g) \ u003d NH 4 Cl (k). ؛ =؟

يتم إعطاء قيم درجات الحرارة القياسية لتكوين المواد في جداول خاصة. مع الأخذ في الاعتبار أن درجات حرارة تكوين المواد البسيطة يتم احتسابها بشكل مشروط تساوي الصفر. يمكن حساب التأثير الحراري للتفاعل باستخدام النتيجة الطبيعية من قانون هيس:

\ u003d (NH4Cl) - [(NH 3) + (HCl)] ؛
= -315.39 - [-46.19 + (-92.31) = -176.85 كيلوجول.

ستبدو المعادلة الحرارية الكيميائية كما يلي:

يتم تحديد الحرارة المنبعثة أثناء تفاعل 10 لترات من الأمونيا في هذا التفاعل من النسبة:

22,4 : -176,85 = 10 : X ؛ س \ u003d 10 (-176.85) / 22.4 \ u003d -78.97 كيلو جول ؛ س = 78.97 كيلو جول.

إجابة: 78.97 كيلو جول.

أي تفاعل كيميائي مصحوب بإطلاق أو امتصاص الطاقة في شكل حرارة.

على أساس إطلاق أو امتصاص الحرارة ، يميزون طارد للحرارةو ماص للحرارةتفاعلات.

طارد للحرارةردود الفعل - مثل هذه التفاعلات التي يتم خلالها إطلاق الحرارة (+ س).

التفاعلات الماصّة للحرارة - التفاعلات التي يتم خلالها امتصاص الحرارة (-Q).

التأثير الحراري للتفاعل (س) هي كمية الحرارة التي يتم إطلاقها أو امتصاصها أثناء تفاعل كمية معينة من الكواشف الأولية.

المعادلة الحرارية الكيميائية هي معادلة يُشار فيها إلى التأثير الحراري لتفاعل كيميائي. على سبيل المثال ، المعادلات الكيميائية الحرارية هي:

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن المعادلات الكيميائية الحرارية يجب أن تتضمن بالضرورة معلومات حول الحالات الإجمالية للمواد المتفاعلة والمنتجات ، نظرًا لأن قيمة التأثير الحراري تعتمد على ذلك.

حسابات حرارة التفاعل

مثال لمشكلة نموذجية لإيجاد التأثير الحراري للتفاعل:

عند تفاعل 45 جم من الجلوكوز مع فائض من الأكسجين وفقًا للمعادلة

C 6 H 12 O 6 (صلب) + 6O 2 (g) \ u003d 6CO 2 (g) + 6H 2 O (g) + Q

تم إطلاق 700 كيلو جول من الحرارة. تحديد التأثير الحراري للتفاعل. (اكتب الرقم إلى أقرب عدد صحيح.)

حل:

احسب كمية مادة الجلوكوز:

n (C 6 H 12 O 6) \ u003d م (C 6 H 12 O 6) / M (C 6 H 12 O 6) \ u003d 45 جم / 180 جم / مول \ u003d 0.25 مول

أولئك. يؤدي تفاعل 0.25 مول من الجلوكوز مع الأكسجين إلى إطلاق 700 كيلو جول من الحرارة. من المعادلة الحرارية الكيميائية المقدمة في الحالة ، يترتب على ذلك أنه عندما يتفاعل 1 مول من الجلوكوز مع الأكسجين ، تتشكل كمية من الحرارة تساوي Q (حرارة التفاعل). ثم النسبة التالية صحيحة:

0.25 مول جلوكوز - 700 كيلو جول

1 مول من الجلوكوز - Q

من هذه النسبة تتبع المعادلة المقابلة:

0.25 / 1 = 700 / س

لحل ذلك ، نجد ما يلي:

وبالتالي ، فإن التأثير الحراري للتفاعل هو 2800 كيلو جول.

حسابات معادلات حرارية كيميائية

في كثير من الأحيان في واجبات الاستخدامفي الكيمياء الحرارية ، فإن قيمة التأثير الحراري معروفة بالفعل ، لأن يتم إعطاء المعادلة الكيميائية الحرارية الكاملة في الحالة.

في هذه الحالة ، يلزم حساب إما كمية الحرارة المنبعثة / الممتصة بكمية معروفة من المادة المتفاعلة أو المنتج ، أو ، على العكس من ذلك ، مطلوب تحديد كتلة أو حجم أو كمية مادة أي شخص مشارك في التفاعل من القيمة المعروفة للحرارة.

مثال 1

وفقًا لمعادلة التفاعل الكيميائي الحراري

3Fe 3 O 4 (صلب) + 8Al (صلب) \ u003d 9Fe (صلب) + 4Al 2 O 3 (صلب) + 3330 كيلو جول

شكلت 68 جم من أكسيد الألومنيوم. ما مقدار الحرارة المنبعثة في هذه الحالة؟ (اكتب الرقم إلى أقرب عدد صحيح.)

حل

احسب كمية مادة أكسيد الألومنيوم:

n (Al 2 O 3) \ u003d m (Al 2 O 3) / M (Al 2 O 3) \ u003d 68 جم / 102 جم / مول \ u003d 0.667 مول

وفقًا للمعادلة الحرارية الكيميائية للتفاعل ، يتم تحرير 3330 كيلو جول أثناء تكوين 4 مول من أكسيد الألومنيوم. في حالتنا ، يتكون 0.6667 مول من أكسيد الألومنيوم. للدلالة على كمية الحرارة المنبعثة في هذه الحالة ، من خلال x kJ سنقوم بتكوين النسبة:

4 مول Al 2 O 3 - 3330 كج

0.667 مول Al 2 O 3 - x kJ

هذه النسبة تتوافق مع المعادلة:

4 / 0.6667 = 3330 / س

بحل ذلك ، نجد أن x = 555 kJ

أولئك. في تكوين 68 جم من أكسيد الألومنيوم ، وفقًا للمعادلة الحرارية الكيميائية ، يتم إطلاق 555 كيلو جول من الحرارة تحت الشرط.

مثال 2

نتيجة التفاعل ، المعادلة الكيميائية الحرارية التي

4FeS 2 (صلب) + 11O 2 (g) \ u003d 8SO 2 (g) + 2Fe 2 O 3 (صلب) + 3310 kJ

تم إطلاق 1655 كيلو جول من الحرارة. حدد حجم (لتر) من ثاني أكسيد الكبريت المنطلق (عدد مرات الظهور). (اكتب الرقم إلى أقرب عدد صحيح.)

حل

وفقًا لمعادلة التفاعل الكيميائي الحراري ، فإن تكوين 8 مول من SO 2 يطلق 3310 كيلو جول من الحرارة. في حالتنا ، تم إطلاق 1655 كيلو جول من الحرارة. دع كمية المادة SO 2 المتكونة في هذه الحالة تساوي x مول. ثم تكون النسبة التالية صحيحة:

8 مول SO 2 - 3310 كيلو جول

x مول SO 2 - 1655 كيلو جول

مما يلي المعادلة:

8 / س = 3310/1655

لحل ذلك ، نجد ما يلي:

وبالتالي ، فإن كمية المادة SO 2 المتكونة في هذه الحالة هي 4 جزيء جرامي. لذلك ، حجمها هو:

V (SO 2) \ u003d V م ∙ n (SO 2) \ u003d 22.4 لتر / مول ∙ 4 مول \ u003d 89.6 لتر ≈ 90 لتر(التقريب إلى الأعداد الصحيحة ، لأن هذا مطلوب في الشرط.)

يمكن العثور على مزيد من المشاكل التي تم تحليلها حول التأثير الحراري لتفاعل كيميائي.

تدرس الكيمياء الحرارية التأثيرات الحرارية للتفاعلات الكيميائية. في كثير من الحالات ، تستمر هذه التفاعلات بحجم ثابت أو ضغط ثابت. يترتب على القانون الأول للديناميكا الحرارية أن الحرارة ، في ظل هذه الظروف ، هي إحدى وظائف الحالة. في الحجم الثابت ، الحرارة تساوي التغير في الطاقة الداخلية:

وعند الضغط المستمر - تغيير في المحتوى الحراري:

هذه المساواة ، عند تطبيقها على التفاعلات الكيميائية ، هي جوهر قانون هيس:

لا يعتمد التأثير الحراري لتفاعل كيميائي يحدث عند ضغط ثابت أو حجم ثابت على مسار التفاعل ، ولكن يتم تحديده فقط من خلال حالة المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل.

وبعبارة أخرى ، فإن التأثير الحراري لتفاعل كيميائي يساوي التغير في وظيفة الحالة.
في الكيمياء الحرارية ، على عكس التطبيقات الأخرى للديناميكا الحرارية ، تعتبر الحرارة إيجابية إذا تم إطلاقها في بيئة، أي. لو ح < 0 или يو < 0. Под тепловым эффектом химической реакции понимают значение ح(وهو ما يسمى ببساطة "المحتوى الحراري للتفاعل") أو يوتفاعلات.

إذا استمر التفاعل في المحلول أو في الطور الصلب ، حيث يكون التغيير في الحجم ضئيلًا ، إذن

ح = يو + (الكهروضوئية) يو. (3.3)

إذا شاركت الغازات المثالية في التفاعل ، فعندئذ عند درجة حرارة ثابتة

ح = يو + (الكهروضوئية) = يو+ ن. RT, (3.4)

حيث n هو التغير في عدد مولات الغازات في التفاعل.

من أجل تسهيل المقارنة بين المحتوى الحراري للتفاعلات المختلفة ، تم استخدام مفهوم "الحالة القياسية". الدولة المعيارية هي الدولة مادة نقيةعند ضغط 1 بار (= 10 5 باسكال) ودرجة حرارة معينة. بالنسبة للغازات ، هذه حالة افتراضية عند ضغط 1 بار ، والتي لها خصائص الغاز المتخلخل اللانهائي. المحتوى الحراري للتفاعل بين المواد في الحالات القياسية عند درجة حرارة تي، تدل ( صتعني "رد فعل"). في المعادلات الكيميائية الحرارية ، لا يشار فقط إلى صيغ المواد ، ولكن أيضًا حالاتها الكلية أو تعديلاتها البلورية.

تنبع عواقب مهمة من قانون هيس ، مما يجعل من الممكن حساب المحتوى الحراري للتفاعلات الكيميائية.

النتيجة 1.

يساوي الفرق بين المحتوى الحراري القياسي لتكوين منتجات التفاعل والكواشف (مع مراعاة معاملات القياس المتكافئ):

المحتوى الحراري القياسي (حرارة) لتكوين مادة (Fيعني "تكوين") عند درجة حرارة معينة هو المحتوى الحراري لتفاعل تكوين مول واحد من هذه المادة من العناصرفي الحالة القياسية الأكثر استقرارًا. وفقًا لهذا التعريف ، يكون المحتوى الحراري لتكوين أكثر المواد البسيطة استقرارًا في الحالة القياسية صفرًا عند أي درجة حرارة. المحتوى الحراري القياسي لتكوين المواد عند درجة حرارة 298 كلفن مذكورة في الكتب المرجعية.

تستخدم مفاهيم "المحتوى الحراري للتكوين" ليس فقط للمواد العادية ، ولكن أيضًا للأيونات في المحلول. في هذه الحالة ، يتم أخذ H + أيون كنقطة مرجعية ، حيث يُفترض أن المحتوى الحراري القياسي للتكوين في محلول مائي يساوي صفرًا:

النتيجة 2. المحتوى الحراري القياسي لتفاعل كيميائي

يساوي الفرق بين المحتوى الحراري لاحتراق المواد المتفاعلة ونواتج التفاعل (مع مراعاة معاملات القياس المتكافئ):

(جتعني "احتراق"). يُطلق على المحتوى الحراري القياسي (الحرارة) لاحتراق مادة ما اسم المحتوى الحراري لتفاعل الأكسدة الكاملة لمول واحد من مادة ما. عادة ما تستخدم هذه النتيجة لحساب التأثيرات الحرارية للتفاعلات العضوية.

النتيجة 3. المحتوى الحراري للتفاعل الكيميائي يساوي الفرق بين طاقات الروابط الكيميائية المكسورة والمتكونة.

بواسطة طاقة الرابطة A-B اسم الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة وتخفيف الجسيمات الناتجة إلى مسافة لا نهائية:

AB (r) A (r) + B (r).

تكون طاقة الرابطة إيجابية دائمًا.

يتم إعطاء معظم البيانات الحرارية الكيميائية في الكتيبات عند درجة حرارة 298 كلفن لحساب التأثيرات الحرارية في درجات حرارة أخرى ، استخدم معادلة كيرشوف:

(شكل تفاضلي) (3.7)

(شكل متكامل) (3.8)

أين سي بيهو الفرق بين السعات الحرارية متساوية الضغط لمنتجات التفاعل ومواد البدء. إذا كان الاختلاف تي 2 - تي 1 صغير ، ثم يمكنك قبوله سي بي= const. لفروق كبيرة في درجة الحرارة ، استخدم اعتماد درجات الحرارة سي بي(تي) يكتب:

حيث المعاملات أ, ب, جإلخ. بالنسبة للمواد الفردية ، يتم أخذها من الكتاب المرجعي ، وتشير العلامة إلى الفرق بين المنتجات والكواشف (مع مراعاة المعاملات).

أمثلة

مثال 3-1.المحتوى الحراري القياسي لتكوين الماء السائل والغازي عند 298 كلفن هو -285.8 و -241.8 كيلوجول / مول ، على التوالي. احسب المحتوى الحراري لتبخير الماء عند درجة الحرارة هذه.

حل. تتوافق المحتوى الحراري للتكوين مع التفاعلات التالية:

H 2 (g) + SO 2 (g) \ u003d H 2 O (g) ، ح 1 0 = -285.8;

H 2 (g) + SO 2 (g) \ u003d H 2 O (g) ، ح 2 0 = -241.8.

يمكن إجراء التفاعل الثاني على مرحلتين: أولاً ، حرق الهيدروجين لتكوين ماء سائل وفقًا للتفاعل الأول ، ثم يتبخر الماء:

H 2 O (g) \ u003d H 2 O (g) ، ح 0 الإسبانية =؟

ثم ، وفقًا لقانون هيس ،

ح 1 0 + ح 0 الإسبانية = ح 2 0 ,

أين ح 0 إسباني \ u003d -241.8 - (-285.8) \ u003d 44.0 كيلو جول / مول.

إجابة. 44.0 كيلوجول / مول.

المثال 3-2.احسب المحتوى الحراري للتفاعل

6C (g) + 6H (g) \ u003d C 6 H 6 (g)

أ) حسب المحتوى الحراري للتكوين ؛ ب) عن طريق ربط الطاقات ، بافتراض أن الروابط المزدوجة في جزيء C 6 H 6 ثابتة.

حل. أ) تم العثور على المحتوى الحراري للتكوين (بالكيلوجول / مول) في الكتيب (على سبيل المثال ، P.W. Atkins ، الكيمياء الفيزيائية ، الطبعة الخامسة ، الصفحات C9-C15): fH 0 (C 6 H 6 (g)) = 82.93 ، fH 0 (ج (ز)) = 716.68 ، fH 0 (ح (ز)) = 217.97. المحتوى الحراري للتفاعل هو:

ر 0 \ u003d 82.93 - 6716.68 - 6217.97 \ u003d -5525 كيلو جول / مول.

ب) في رد الفعل هذا روابط كيميائيةلا تنكسر ، ولكن الشكل فقط. في تقريب الرابطة المزدوجة الثابتة ، يحتوي جزيء C 6 H 6 على 6 روابط C-H ، و 3 روابط C-C ، و 3 روابط C = C. طاقات الرابطة (بالكيلوجول / مول) (PW Atkins ، الكيمياء الفيزيائية ، الطبعة الخامسة ، ص C7): ه(C-H) = 412 ، ه(C-C) = 348 ، ه(C = C) = 612. المحتوى الحراري للتفاعل هو:

ر 0 \ u003d - (6412 + 3348 + 3612) \ u003d -5352 كيلو جول / مول.

يرجع الاختلاف مع النتيجة الدقيقة -5525 kJ / mol إلى حقيقة أنه في جزيء البنزين لا توجد روابط C-C مفردة وروابط C = C مزدوجة ، ولكن هناك 6 روابط عطرية C C.

إجابة. أ) -5525 كيلوجول / مول ؛ ب) -5352 كيلوجول / مول.

المثال 3-3.باستخدام البيانات المرجعية ، احسب المحتوى الحراري للتفاعل

3Cu (tv) + 8HNO 3 (aq) = 3Cu (NO 3) 2 (aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l)

حل. معادلة التفاعل الأيوني المختصرة هي:

3Cu (tv) + 8H + (aq) + 2NO 3 - (aq) \ u003d 3Cu 2+ (aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l).

وفقًا لقانون هيس ، فإن المحتوى الحراري للتفاعل هو:

ر 0 = 4fH 0 (H 2 O (l)) + 2 fH 0 (لا (ز)) + 3 fH 0 (نحاس 2+ (aq)) - 2 fH 0 (NO 3 - (aq))

(المحتوى الحراري لتكوين النحاس وأيون H + ، بحكم التعريف ، 0). استبدال المحتوى الحراري للتكوين (P.W. Atkins ، الكيمياء الفيزيائية ، الطبعة الخامسة ، ص. C9-C15) ، نجد:

ر 0 = 4 (-285.8) + 2 90.25 + 3 64.77 - 2 (-205.0) = -358.4 كيلوجول

(على أساس ثلاثة مولات من النحاس).

إجابة. 358.4 كيلو جول.

مثال 3-4.احسب المحتوى الحراري لاحتراق الميثان عند 1000 كلفن إذا تم إعطاء المحتوى الحراري للتكوين عند 298 كلفن: fH 0 (CH 4) \ u003d -17.9 كيلو كالوري / مول ، fH 0 (CO 2) \ u003d -94.1 كيلو كالوري / مول ، fH 0 (H 2 O (g)) = -57.8 كيلو كالوري / مول. السعات الحرارية للغازات (في كال / (مول. ك)) في النطاق من 298 إلى 1000 كلفن هي:

C p (CH 4) = 3.422 + 0.0178. تي, سي بي(س 2) = 6.095 + 0.0033. تي,

C p (CO 2) \ u003d 6.396 + 0.0102. تي, سي بي(H 2 O (g)) = 7.188 + 0.0024. تي.

حل. المحتوى الحراري لتفاعل احتراق الميثان

CH 4 (g) + 2O 2 (g) \ u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (g)

عند 298 كلفن:

94.1 + 2 (-57.8) - (-17.9) = -191.8 كيلو كالوري / مول.

دعونا نجد الفرق في السعات الحرارية كدالة لدرجة الحرارة:

سي بي = سي بي(ثاني أكسيد الكربون) + 2 سي بي(H 2 O (g)) - سي بي(CH 4) - 2 سي بي(O2) =
= 5.16 - 0.0094تي(كال / (مول. ك)).

نحسب المحتوى الحراري للتفاعل عند 1000 كلفن باستخدام معادلة كيرشوف:

= + = -191800 + 5.16
(1000-298) - 0.0094 (1000 2-298 2) / 2 \ u003d -192500 كالوري / مول.

إجابة. 192.5 كيلو كالوري / مول.

مهام

3-1. مقدار الحرارة المطلوبة لنقل 500 جم من Al (درجة حرارة 658 درجة مئوية ، ح 0 رطل \ u003d 92.4 كالوري / جم) ، مأخوذة عند درجة حرارة الغرفة، إلى حالة منصهرة ، إذا سي بي(التلفزيون) \ u003d 0.183 + 1.096 10 -4 تيكال / (ز ك)؟

3-2. المحتوى الحراري القياسي للتفاعل CaCO 3 (tv) \ u003d CaO (tv) + CO 2 (g) ، في وعاء مفتوح عند درجة حرارة 1000 K ، هو 169 kJ / mol. ما حرارة هذا التفاعل الذي يحدث عند نفس درجة الحرارة ولكن في وعاء مغلق؟

3-3. احسب الطاقة الداخلية القياسية لتكوين البنزين السائل عند 298 كلفن إذا كان المحتوى الحراري القياسي لتكوينه هو 49.0 كيلوجول / مول.

3-4. احسب المحتوى الحراري لتكوين N 2 O 5 (g) at تي= 298 كلفن بناءً على البيانات التالية:

2NO (g) + O 2 (g) \ u003d 2NO 2 (g) ، ح 1 0 \ u003d -114.2 كيلوجول / مول ،

4NO 2 (g) + O 2 (g) \ u003d 2N 2 O 5 (g) ، ح 2 0 \ u003d -110.2 كيلوجول / مول ،

N 2 (g) + O 2 (g) \ u003d 2NO (g) ، ح 3 0 = 182.6 كيلوجول / مول.

3-5. المحتوى الحراري لاحتراق الجلوكوز والفركتوز والسكروز عند 25 درجة مئوية هو -2802 ،
-2810 و -5644 كيلوجول / مول ، على التوالي. احسب حرارة التحلل المائي للسكروز.

3-6. حدد المحتوى الحراري لتكوين ثنائي بوران B 2 H 6 (g) at تي= 298 كلفن من البيانات التالية:

B 2 H 6 (g) + 3O 2 (g) \ u003d B 2 O 3 (tv) + 3H 2 O (g) ، ح 1 0 \ u003d -2035.6 كيلوجول / مول ،

2B (تلفزيون) + 3/2 O 2 (g) \ u003d B 2 O 3 (تلفزيون) ، ح 2 0 \ u003d -1273.5 كيلوجول / مول ،

H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) \ u003d H 2 O (g) ، ح 3 0 \ u003d -241.8 كيلوجول / مول.

3-7. احسب حرارة تكوين كبريتات الزنك من مواد بسيطة في تي= 298 كلفن بناءً على البيانات التالية.