CHEMIA
TEMAT:
Obliczanie zmiany energii wewnętrznej i entalpii w reakcjach chemicznych.
Pośrednie wyznaczanie ciepła reakcji.
Prawo Hessa i prawo Kirchhoffa.
Zależność między ciepłami reakcji pod stałym ciśnieniem i w stałej objętości
_ _
Qp - Qv = -∆nRT
T = constans [K];
_
Qp – ciepło reakcji pod stałym ciśnieniem = -∆H
Qv – ciepło reakcji w stałej objętości = -∆U
∆n – przyrost liczby moli gazu spowodowany reakcją; Δn = Σni(produktów gazowych) - Σnj(substratów gazowych)
R = 8,31 [J/mol•K]
-∆H + ∆U = -∆nRT
lub
∆H - ∆U = ∆nRT
Zadania treningowe:
Zad. 1
Ciepła tworzenia NH3 i SO3 w temperaturze 298 K i przy p=const wynoszą odpowiednio 145 kJ/mol i 95 kJ/mol. Obliczyć ciepła tworzenia w stałej objętości.
Rozwiązanie: _ _
1. ½N2(g)+ 1½H2(g)→ NH3 QpNH3= 145 kJ/mol QvNH3= ?
2. S(s)+ 1½O2(g)→ SO3(g) QpSO3= 95 kJ/mol QvSO3= ?
_ _ _ _
Qp – Qv = -∆nRT tj Qv= Qp + ∆nRT
dla równania 1 ∆n=-1; dla równania 2 ∆n=-½
stąd po podstawieniu do wzoru otrzymujemy
QvNH3= 145000[J/mol]+(-1)•8,31[J/mol•K]•298[K] = 142523,62[J/mol]
QvSO3= 95000[J/mol]+(-½)•8,31[J/mol•K]•298[K] = 93761,81[J/mol]
Zad. 2
Ciepła reakcji w 298 K i przy v=const wynoszą odpowiednio:
1. SO2(g)+ Cl2(g)→ SO2Cl2(g) QV1=60 kJ/mol
2. 3C(s)+ 2O2(g) → CO2(g)+ 2CO(g) QV2= 120 kJ/mol
Obliczyć ciepła reakcji pod stałym ciśnieniem
Zad. 3
Obliczyć ciepło reakcji spalania toluenu C7H8© pod p=const w warunkach standardowych (T=298 K) jeżeli QV tej reakcji wynosi 5200 [kJ/mol] a powstająca para wodna:
1. skrapla się
2. nie ulega skropleniu
Reagenty gazowe traktujemy jak gaz doskonały
Zad. 4
Reakcja chemiczna przebiegająca w mieszaninie gazowej w t=300ºC prowadzi do wzrostu liczby moli gazu o 2. Zmiana energii wewnętrznej ∆U=30 [kJ/mol]. Jaka jest zmiana entalpii ∆H, jeżeli gazy uznajemy za doskonałe.
Prawo Hessa:
Efekty cieplne reakcji (procesu) w stałej objętości i pod stałym ciśnieniem, jeżeli jedyną formą wymiany energii na sposób pracy jest praca objętościowa, nie zależą od drogi przemiany, lecz tylko od jej stanu początkowego i końcowego.
W celu obliczenia efektu cieplnego reakcji w warunkach standardowych
(p=101325 Pa; T=298 K) należy od sumy entalpii (ciepeł) tworzenia produktów odjąć sumę entalpii (ciepeł) tworzenia substratów z uwzględnieniem współczynników stechiometrycznych.
ΔHoreakcji = ΣniΔHotw(produktów) – ΣnjΔHotw(substratów)
od sumy standardowych entalpii (ciepeł) spalania substratów odjąć sumę standardowych entalpii (ciepeł) produktów z uwzględnieniem współczynników stechiometrycznych
ΔHoreakcji = ΣnjΔHosp(substratów) – ΣniΔHosp(produktów)
gdzie ni i nj to odpowiednio współczynniki stechiometryczne produktów i substratów
Ciepło spalania to efekt cieplny towarzyszący spaleniu 1 mola substancji w tlenie, prowadzący do otrzymania prostych substancji nieorganicznych:
C + O2 → CO2 H2 + ½O2 → H2O
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Ciepło tworzenia to efekt cieplny towarzyszący powstaniu 1 mola związku z pierwiastków w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury:
C(s)+ O2(g) → CO2(g) H2(g) + ½O2(g) → H2O©
2C(s)+ ½O2(g)+ 3H2(g) → C2H5OH©
ciepło tworzenia pierwiastków jest równe zero.
Stosując prawo Hessa obliczyć ciepło molowe spalania propanolu C3H7OH, jeżeli ciepła tworzenia
Qtw[CO2]=393 kJ/mol; Qtw[H2O]=286 kJ/mol i Qtw[C3H7OH]= 300 kJ/mol
Rozwiązanie:
C3H7OH + 9/2 O2 → 3CO2+ 4H2O
Qspal[C3H7OH] = 3• Qtw[CO2] + 4• Qtw[H2O] - Qtw[C3H7OH]
Qspal[C3H7OH] = 3• 393 + 4• 286 – 300 = 2023 kJ/mol
Stosując prawo Hessa obliczyć ciepło molowe tworzenia benzenu C6H6 znając Qspal[C6H6] =
3269 kJ/mol, Qtw[CO2]=393 kJ/mol i Qtw[H2O]=286 kJ/mol
Stosując prawo Hessa obliczyć ciepło molowe tworzenia metanolu C2H5OH znając Qspal[C2H5OH] = 1366 kJ/mol oraz Qtw[CO2]=393 kJ/mol i Qtw[H2O]=286 kJ/mol
Stosując prawo Hessa obliczyć ciepło molowe spalania metanu CH4 wiedząc, że Qtw[CO2]=393 kJ/mol i Qtw[H2O]=286 kJ/mol oraz Qtw[CH4]= 75 kJ/mol
Prawo Kirchhoffa:
dQ/dT = -∆C
Współczynnik temperaturowy efektu cieplnego procesu równa się ujemnej wartości przyrostu pojemności cieplnej reakcji ∆C prowadzonej pod stałym ciśnieniem lub w stałej objętości.
T
QPT – QPTo = -∫∆CdT
To
∆C = ∑γicP[produktów] - ∑γjcP[substratów]
γ – współczynniki stechiometryczne w równaniu reakcji
cp- ciepła molowe reagentów pod stałym ciśnieniem
QPT – QPTo = -∆C•∆T gdy T – To jest małe (rzędu kilkudziesięciu K)
∆HT = ∆HTo + ∆C•∆T
Obliczyć entalpię tworzenia wody w temperaturze 363 K znając ciepło molowe składników oraz entalpię tworzenia wody w temperaturze 298 K.
H2(g) + ½O2(g) → H2O9(C)
Mamy dane: ΔH298 K= -286,47 kJ/mol, oraz ciepła molowe reagentów CP(H2)= 28,91 J/mol•K, CP(O2)= 29,54 J/mol•K, CP(H2O)= 75,42 J/mol•K
Zakładając, że ciepło właściwe produktu (CP)2 i substratu (CP)1 jest stałe w zakresie stosowanej temperatury mamy:
∆HT = ∆HTo + [(CP)2 – (CP)1]•[T-T0]
wprowadzając dane do równania otrzymamy
∆HT= -286,47 + [75,42 – (28,91 + ½29,54)][363 – 298] = -284,41 kJ/mol
Obliczyć entalpię tworzenia etanu w temperaturze 473 K znając CP składników oraz standardową entalpię tworzenia etanu. ∆HTo= -84,22 kJ/mol, CP©= 11,31 J/mol•K, CP(H2)= 28,91 J/mol•K i
CP(C2H6)= 60,34 J/mol•K
...
mateo745