| Масса бюкса, г | Масса воды, г | Навеска СuSO4, г | Т1, К до реакции | Т2, К после реакции | ∆Т, К | ∆Ноп. (опытное) | ∆Нт. (теоретическое) |
Сделайте соответствующие выводы.
Опыт 4. Калориметрическое определение теплового эффекта
процесса растворения неорганических соединений с использованием
калориметра УЛК «Термостат»
Взвесьте на весах стакан калориметра с мешалкой. Определите массу стакана на весах как «тара». Отмерьте цилиндром 50 мл дистиллированной воды, перелейте в стакан. Взвесьте повторно стакан калориметра. Поместите стакан с водой в калориметр. Закройте калориметр крышкой с термодатчиком. Взвесьте на весах примерно 2-3 г СuSO4. Взвесьте на весах шприц с пробкой, определите на весах массу как «тара». Пересыпьте соль в шприц и закройте пробкой. Повторно взвесьте шприц с солью на весах. Поместите шприц в отверстие крышки калориметра. Дождавшись выравнивая температуры в калориметре (ориентировочно 2 минуты), аккуратно выдавите содержание шприца в стакан калориметра. Фиксируйте показания термодатчика по контроллеру или компьютеру. После окончания процесса определите изменение температуры процесса растворения по данным котроллера или по графическим данным программного обеспечения. Проведите расчеты в соответствие с предыдущим опытом. Полученные результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 5.4.
Таблица 5.4
Исходные данные и результаты измерений опыта 4
| Масса стакана, г | Масса воды, г | Навеска СuSO4, г | Т1, К до реакции | Т2, К после реакции | ∆Т, К | ∆Ноп. (опытное) | ∆Нт. (теоретич.) |
Сделайте соответствующие выводы.
Примеры решения задач
Пример 1
Какое количество теплоты выделится при гашении водой 25 кг извести?
| Дано: m(СаО) = 25 кг | Решение Запишем уравнение реакции гашения извести водой: |
| DH/? | СаО (к) + H2O (ж) = Са(ОH)2 (к) |
Используя следствие из закона Гесса, находим тепловой эффект химической реакции DН0 = DН0298 (Са(ОH)2) – DН0298 (СаО) – DН0298 (H2O)
По справочнику находим теплоты образования (кДж/моль):
DН0298 (Са(ОH)2) = –985,0; DН0298 (СаО) = –635,0; DН0298 (H2O) = –286,0.
DН0 = –985,0 – (–635,0) – (–286,0) = – 64,0 кДж/моль.
Далее определяем количество вещества СаО
ν (СаО) = m/М = 25 · 103 / 56 = 0,45 · 103 (моль)
DH/ = DН0 · ν = 0,45 · 103 · (–64,0) = – 28571,4 (кДж).
Ответ: DH/ = – 28571,4 кДж.
Пример 2
При взаимодействии 2,1 г железа с серой выделилось 3,77 кДж теплоты. Рассчитайте теплоту образования сульфида железа (II).
| Дано: m (Fe) = 2,1 г DH1 = – 3,77 кДж | Решение Запишем уравнение реакции: Fe + S = FeS. Из уравнения реакции следует, что один моль сульфида железа образуется из одного моля железа. Следовательно, можно определить количество вещества FeS, зная, что М (Fe) = 56 г/моль: |
| DН0298 (FeS)? |
ν (FeS) = ν (Fe) = m/М = 2,1 / 56 = 0,038 (моль)
Тогда DН0298 (FeS) = DH1 / ν = (–3,77) / 0,038 = – 100,5 (кДж/моль)
Ответ: DН0298 (FeS) = – 100,5 кДж/моль
Пример 3
Вычислите DН0298 образования MgCO3 (к) при 298 К, пользуясь следующими данными:
1) С (графит) + O2 (г) = СO2 (г), DН0298 = – 393,5 кДж (1);
2) Mg (к) + ½ O2 (г) = MgО (к), DН0298 = – 601,0 кДж (2);
3) MgО (к) + СO2 (г) = MgСO3 (к), DН0298 = – 117,7 кДж (3).
Решение
Теплоту образования сложного вещества из простых вычислить невозможно, так как DН0298 простого вещества = 0. В этом случае теплоты образования веществ рассчитывают с помощью промежуточных реакций, для которых указаны количества выделившейся или поглощенной теплоты.
В нашем случае DН0298 MgСO3 находят, суммируя уравнения (1), (2) и (3), а также соответственно значения DН0298 каждой реакции.
С (графит) + O2 (г) = СO2 (г);
Mg (к) + ½ O2 (г) = MgО (к);
MgО (к) + СO2 (г) = MgСO3 (к).
___________________________________________________
С + Mg + MgО + СO2 + 1,5O2 = СO2 + MgО + MgСO3 (4)
Сократив одноименные члены в левой и правой части уравнения (4) получим: С (графит) + Mg (к) + 1,5O2 (г) = MgСO3 (к).
DН0298 (MgCO3) = (–393,5) + (601,0) + (–117,7) = – 1112,2 кДж/моль.
Ответ: DН0298 (MgCO3) = – 1112,2 кДж/моль
Пример 4
Вычислите теплоту образования DН0298 пропана C3Н8, если известно, что при сгорании 11 г его выделяется 554 кДж теплоты.
| Дано: m (C3Н8) = 11 г DH = – 554 кДж | Решение Запишем уравнение реакции сгорания пропана: C3Н8 (г) + 5O2 (г) = 3СO2 (г) + 4H2O (ж) |
| DН0298 (C3Н8)? | Определяем количество сгоревшего пропана |
ν (C3Н8) = m/М = 11 / 44 = 0,25 (моль)
Далее находим тепловой эффект реакции
DН = DH / ν = (–554) / 0,25 = – 2216 (кДж/моль)
По закону Гесса находим теплоту образования пропана:
DН = 3DН0298(СO2) + 4DН0298(H2O) – DН0298(C3Н8) – 5DН0298(O2) (1)
По справочнику находим DН0298 (кДж/моль):
DН0298 (СO2) = – 393,5; DН0298 (H2Oж) = – 286,0; DН0298 (O2) = 0.
Подставляем эти значения в выражение (1).
–2216 = 3 · (– 393,5) + 4 · (– 286,0) –DН0298 (C3Н8) – 5 · 0.
DН0298 (C3Н8) = – 108,5 (кДж/моль).
Ответ: DН0298 (C3Н8) = = – 108,5 кДж/моль.
Пример 5
Не производя вычислений установите знак изменения энтропии для следующих процессов: 1) 2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г); 2) СO2 (к) = СO2 (г),
3) Fe2O3 (к) + 3СО (г) = 2 Fe (к) + 3СO2 (г)
Решение
Так как энтропия системы растет с увеличением объема и зависит от агрегатного состояния, то для приведенных реакций:
1) в левой части равенства 3 объема газов, а в правой – 2 объема, следовательно, DS < 0;
2) происходит расширение системы, то есть СO2 переходит от относительного порядка в беспорядочное состояние и, следовательно, DS > 0;
3) в левой части равенства 3 объема СО, а в правой 3 объема СO2, (кристаллическое и жидкое состояния не учитываются, то есть наблюдается относительный порядок), то DS = 0.
Чтобы убедиться в правильности ответов, можно DS рассчитать по следствию из закона Гесса, используя справочные данные. Так, для реакции (1):
2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)
По справочнику находим стандартные энтропии (Дж/(моль · К):
S0298 (NO) = + 210,6; S0298 (NO2) = + 240,2; S0298 (O2) = + 205,0.
DS = 2S0298 (NO2) – 2S0298 (NO) – S0298 (O2) = 2 · 240,2 – 2 · 210,6 –
– 205,0 = – 145,8 (Дж/моль · К).
Ответ: DS < 0.
Пример 6
Определите возможность самопроизвольного протекания реакции 3Н2(г) + N2(г) = 2NН3(г) в прямом направлении, а также и температуру, при которой равновероятны оба направления этой реакции. Вычислите константу равновесия.
Решение
Возможность самопроизвольного протекания заданной реакции можно определить по значению изменения свободной энергии G из выражения
DG = DН – DS.
Находим тепловой эффект реакции по следствию из закона Гесса:
DН = 2DН0298 (NН3) – 3DН0298 (Н2) – DН0298 (N2).
Выписываем справочные данные теплот образования и энтропий:
| DН0298 (кДж/моль) | N2 | Н2 | NН3 – 46.2 |
| S0298 (Дж/моль · К) | 191,5 | 130,5 | 192,6 |
DН = 2 · (– 46.2) –3 · 0 – 0 = – 92,4 кДж/моль;
Используя следствие из закона Гесса, находим изменение энтропии реакции: DS = 2S0298(NН3) – S0298(Н2) – S0298(N2) = 2 · 192,6 – 3 · 130,5 – 191,5 = –7,8 Дж/моль · К;
DG = – 92,4 – 298 · (–197,5 · 10--3) = – 33,5 кДж/моль.
Так как DG < 0, то реакция самопроизвольно может протекать в прямом направлении. Далее определим константу равновесия реакции из выражения:
DG = – RTlnK = – RT · 2,3 lgK.
Отсюда lgK = – DG / 2,3 RT = – (–33,5) / 2,3 8,31 · 298 · = 0,0059 = 5,9 · 10¾3 .
Следовательно, K = 1,014.
Определим температуру, при которой равновероятны оба направления реакции 3Н2 + N2 «2NН3.
DG = 0 (равновесие), тогда DG = DH – T•DS
Т = DH / DS •10-3 = –33,5 / – 197,5 •10-3 = 343,6 К = 70,6 оС
Ответ: K = 1,014, Т = 70,6 оС