РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

ПРИМЕР 1. Диоксид углерода в количестве 100 г находится при 0⁰ С и давлении 1,013*10⁵ Па. Определить q, A, DU, DH: a) при изотермическом расширении до объема 0,2 м³; б) при изобарном расширении до того же объема. Принять С_p = 37,1 Дж/моль*К.

РЕШЕНИЕ. а) При изотермическом расширении DU = 0 и DH = 0.

q = A = nRTln(V₂ /V₁).

Число молей CO₂ в 100 г составляет:

n = m/H = 400/440 = 2,27 моль.

Начальный объем определяем по формуле:

V₁ = nRT/P = (2,27*8,31*273)/(1,013*10⁵) = 0,0509 м³.

Количество теплоты рaвно:

q = A = 2,27*37,1*273*ln(0,2/0,0509) = 7070 Дж = 7,07кДж.

б) Изобарный процесс:

q_p = DH = nC_p (T₂ - T₁) = nC_pT₁ (V₂ - V₁)/V₁.

Отсюда:

q_p = DH = 2,27*37,1*273*(0,2 - 0,0509)/0,0509 = 67400 Дж = 67,4 кДж.

Работа расширения определяется по формуле:

A = P(V₂ - V₁) = 1,013*10⁵*(0,2 - 0,0509) = 15000Дж =15,0 кДж.

В соответствии с первым началом термодинамики:

DU = q - A = 67,4 - 15 = 52,4 кДж.

ЗАДАЧА 1. Oпределить количество теплоты, необходимое для нагревания 5 г азота от 15 до 25⁰С при постоянном объеме.

ЗАДАЧА 2. Какое количество теплоты потребуется, чтобы нагреть 10 г паров ртути на 10⁰ при постоянном давлении? (Пары ртути одноатомны).

ЗАДАЧА 3. Вычислить работу расширения, если 100 г водорода при 50⁰С расширяется от 0,04 до 0,2 м³.

ПРИМЕР 2. Определить количество теплоты, поглощенное при нагреве 1 кг корунда

(Al₂O₃) от 298 до 1000 К, если истинная молярная теплоемкость задана уравнением:

С_p = 115 + 12,8*10^-3T - 35,4*10^5*T^-2 Дж/(моль*К).

РЕШЕНИЕ. После интегрирования уравнения (1.15) получаем:

q_p = n[a(T₂ - T₁) + (1/2)b(T²₂ - T²₁) + c¢(T₂ - T₁)/(T_2*Т₁)] = (1000/102)*[115*(1000 - 298) + (1/2)*12,8*10^-3 (1000² - 298²) - 35,4*10⁵*(1000 - 298)/(1000*298)] = 766000 Дж = 766 кДж.

ЗАДАЧА1. Истинная атомная теплоемкость меди выражается уравнением:

C_p = 22,64 + 6,28*10^-3 Т Дж/(моль*К).

Удельная теплота плавления меди равна 179,9 Дж/г. Какое количество теплоты выделится при затвердевании 1 кг расплавленной меди и охлаждении ее от температуры плавления 1065 до 15⁰С?

ЗАДАЧА 2. Истинная удельная теплоемкость свинца может быть рассчитана по уравнению:

C_p = 0,1233 + 5,682*10^-5*t Дж/(г*К).

Температура плавления свинца 326⁰С. Какое количество теплоты необходимо подвести, чтобы расплавить 1 кг металла, взятого при 17⁰С?

ЗАДАЧА 3. Истинная теплоемкость жидкого цинка выражается уравнением:

C (ж) = 0,362 + 26,78*10^-5*t Дж/(г*К),

а твердого цинка

С (т) = 0,3795 + 18,58*10^-6*t Дж/(г*К).

Какое количество теплоты выделится при охлаждении 300 г этого металла от 500 до 0⁰С, если температура плавления цинка 419⁰С и удельная теплота плавления 117,2 Дж/г?

Рассчитать теплоемкости 1 моля твердого и расплавленного цинка при температуре плавления.

ПРИМЕР 3. Вычислить тепловой эффект реакции при 25⁰С:

Fe₂O₃ (т) + 3СO (г) = 2Fe (т) +3CO₂ (г) + D H_x,

если DH_Fe2O3(т) = - 821,32 кДж/моль,

DH _CO(т) = - 160,5 кДж/моль,

DH_Fe = 0 кДж/моль,

DH_CO2(г) = - 399,51 кДж/моль.

РЕШЕНИЕ: Согласно закону Гесса (уравнение (1.22)):

DH⁰ = 2DH _Fe (т) + 3DН _CO2 (г) - DН_Fe2O3 (т) - 3 DН_CO (г) =

- 3*399,51 + 821,32 + 3*160,5 = – 27,71 кДж/моль.

ЗАДАЧА 1. Теплота образования Fe₂O₃ (т) – 821,3 кДж/моль, а теплота образования Al₂O₃ – 1673,0 кДж/моль. Рассчитать тепловой эффект реакции восстановления 1 моля Fe₂O₃ металлическим алюминием.

ЗАДАЧА2. Вычислить тепловой эффект реакции восстановления оксида железа (II) водородом, пользуясь следующими данными:

FeO(т) + СO(г) = Fe(т) + CO₂(г) - 13,18 кДж/моль;

CO(г) + 1/2O₂(г) = CO₂(г) - 283,0 кДж/моль;

H₂(г) + 1/2O₂(г) = H₂O(г) - 241,8 кДж/моль.

ВАРИАНТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Для реакции (таблица 2) в соответствии с номером варианта рассчитать:

1. Тепловой эффект реакции в стандартных условиях.

2. Найти аналитические зависимости:

а) DC_p = f(T), б) DH_T = f(T).

3. Тепловой эффект при температуре Т (см. табл. 3.1.). Стандартные теплоты образования взять в приложении к данным методическим указаниям.

Таблица 3.1

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

 

№	Термохимическое уравнение реакции	Т, К
	4NH3 (г) + 5O2 (г) = 6Н2О(г) + 4NO(г)
	PbO2 (т) + 4HCl(г) = PbCl2 (т) + Сl2 (г) + 2Н2О(ж)
	4HCl(г) + O2 (г) = 2Н2О(г) + 2Сl2 (г)
	2NaHCO3 (т) = Na2CO3 (т) + H2O(г) + СO2 (г)
	СaCO3(т) = СaO(т) + CO2 (г)
	магнетит Fe3O4 (т) + Н2 (г) = 3FeO(т) +Н2О(г)
	Ca(OH) 2(т) + СO2 (г) = СаСО3 (т) + H2O(ж)
	2СО(г) + SO2 (г) = S(т) + 2СО2 (г)
	2ZnS(т) + 3О2 (г) = 2ZnO(т)+2SO2 (г)
	Cr2O3 (т) + 3СО(г) = 2Cr(т) + 3CO2 (г)
	СН4 (г) +2О2 (г) = СО2 (г) + 2Н2О(г)
	2AgNO3 (т) = 2Ag(т) + 2NO2 (г) + О2 (г)
	Н2 (г) + СО2 (г) = Н2О(г) + СО(г)
	СО2 (г) + 4Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О(г)
	СО(г) + 3Н2 (г) = СН4 (г) + Н2О(г)
	4СО(г) + 2SO2 (г) = S2 (г) +4СО2 (г)
	Н2 (г) +НСОН(г) = СН3ОН(г)
	Н2S(г) + СO2 (г) = Н2О(г) + COS(г)
	Н2S(г) + COS(г) = Н2О(г) + CS2 (г)
	2H2S(г) + СО2 (г) = 2Н2О(г) + CS2 (г)
	4H2S(г) + 2SO2 (г) = 3S2 (г) + 4Н2О(г)
	СН4 (г) + 2H2S(г) = СS2 (г) + 4Н2 (г)
	СН3ОН(г) + СО(г) = СН3COOН(г)
	FeO(т) + СО(г) = Fe(т) + СО2 (г)
	2С10Н8 (т) = С14Н10 (т) (фенaнтрен) + С6Н6 (г)
	Na2CO3 (т) + Ca(ОН) 2(т) = СaCO2(т) +2NaOH(т)
	С6Н6 (ж) + 3Н2 (г) = С6Н12 (ж)
	С2Н5OH(ж) = С2Н4(г) + Н2О(ж)
	СН4(г) + СО2 (г) = 2СО(г) + 2Н2 (г)
	TiO2 (т) + 2Сl2 (г) + 2С(т) = TiCl4 (т) + 2СО(г)

ПРИЛОЖЕНИЕ

Термодинамические величины

 

Неорганические вещества

 

КОЭФФИЦИЕНТЫ УРАВНЕНИЯ

c_p = a + b*T + c'/T², Дж/(моль*K)

 

№ п/п	Вещество	DH0, кДж/моль	S0, Дж/моль*К	а	b * 10-3	c' * 105
	Ag(т)		42,69	23,97	5,28	-0,25
	AgNO3(т)	-120,7	140,9	36,65	189,1	-
	C(т)		5,74	17,15	4,27	-8,79
	CO(г)	-110,5	197,4	28,41	4,10	-0,46
	CO2(г)	-393,51	213,6	44,14	9,04	-8,53
	COCl2(г)	-223,0	289,2	67,16	12,11	-9,03
	COS(г)	-137,2	231,5	48,12	8,45	-8,20
	CS2(ж)	87,8	151,0	75,65	-	-
	CS2(г)	115,3	237,8	52,09	6,69	-7,53
	CaCO3(т)	-1206	92,9	104,5	21,92	-25,94
	CaO(т)	-635,1	39,7	49,63	4,52	-6,95
	Ca(OH)2(т)	-986,2	83,4	105,2	12,0	-19,0
	Cl2(г)		223,0	36,69	1,05	-2,52
	Cr(т)		23,76	24,43	9,87	-3,68
	Cr2O3(т)	-1141	81,1	119,4	9,20	-15,65
	Fe(т)		27,15	19,25	21,0	-
	FeO(т)	-263,68	58,79	52,80	6,24	-3,19
	Fe2O3(т)	-1117,71	151,46	167,03	78,91	-41,82
	H2(г)		130,6	27,28	3,26	0,502
	HCl(г)	-92,30	186,70	26,53	4,60	1,09
	HI(г)	25,94	206,30	26,32	5,94	0,92
	H2O(г)	-241,84	188,74	30,00	10,71	0,33
	H2O(ж)	-285,84	69,96	75,31	-	-
	H2S(г)	-20,15	205,64	29,37	15,40	-
	I2(г)	62,24	260,58	37,40	0,59	-0,71
	MgCO3(т)	-1096,21	65,69	77,91	57,74	-17,41
	MgO(т)	-601,24	26,94	42,59	7,28	-6,19
	NH3(г)	-46,19	192,50	29,80	25,48	-1,67
	NH4Cl(т)	-315,39	94,56	49,37	133,89	-
	NO(г)	90,37	210,62	29,58	3,85	-0,59
	NO2(г)	33,89	240,45	42,93	8,54	-6,74
	NaHCO3(т)	-947,4	102,1	87,72	-	-
	NaOH(т)	-426,6	64,18	7,34	125,0	13,38
	Na2CO3(т)	-1129	136,0	70,63	135,6	-
	O2(г)		205,03	31,46	3,39	-3,77
	PCl3(г)	-277,0	311,7	80,12	3,1	-7,99
	PCl5(г)	-369,45	362,9	129,5	2,92	-16,4
	PbCl2(т)	-359,1	136,4	66,78	33,47	-
	PbO2(т)	-276,6	76,44	53,14	32,64	-
	S(т)		31,88	14,98	26,11	-
	S2(г)	129,1	227,7	36,11	1,09	-3,52
	SO2(г)	-296,9	248,1	42,55	12,55	-5,65
	SO2Cl2(г)	-358,7	311,3	53,72	79,50	-
	TiCl4(ж)	-800		156,9	-	-
	TiO2(т)	-943,9	50,23	71,71	4,1	-14,64
	Zn(т)		41,59	22,38	10,04	-
	ZnO(т)	-349,0	43,5	48,99	5,10	-9,12
	ZnS(т)	-201	57,7	50,88	5,19	-5,69

 

Органические вещества

 

 

КОЭФФИЦИЕНТЫ УРАВНЕНИЯ

c _p = a+b*T+c*T²+d*T³ (Дж/моль* K)

 

№ п/п	Вещество	DH0, кДж/моль	S0, Дж/мольК	a	b*10-3	c*10-6	d*10-9
	CH4(г)	-74,85	186,19	17,45	60,46	-1,117	-7,20
	C2H4(г)	52,28	219,4	4,196	54,59	-81,09	16,82
	C6H6(г)	82,93	269,2	33,90	71,87	-298,34	70,84
	C10H8(т)	75,44	167,4	165,7	-	-	-
	C14H10(т)		211,7		-	-	-
	CH3OH(г)	-201,2	239,7	15,28	105,5	-31,04	-
	CH3OH(ж)	-238,7	126,7	81,6	-	-	-
	C2H5OH(ж)	-277,6	160,7	111,4	-	-	-
	CH3COOH(г)	-437,4	282,5	5,56	243,5	-151,9	36,8
	HCOH(г)	-115,9	218,8	18,82	58,38	-15,61	-

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургия, 1985.

 

2. Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Госхимиздат, 1975.

 

3. Киселева Е.В., Каретникова Г.С., Кудряков И.В. Сборник примеров и задач по физической химии. М.: Высшая школа, 1976.

 

4. Стромберг А.Г., Лельчук Х.А., Картушинская А.И. Сборник задач по химической термодинамике. М.: Высшая школа, 1985.

 

5. Краткий справочник физико-химических величин./ Под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. М.: Госхимиздат, 1979.

 

6. Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Т. 1-6. М.: Госхимиздат, 1965-1966.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение............................................................................................................3

 

1. Первый закон термодинамики. Основные теоретические положения......3

 

2. Решение типовых задач…............................................................................7

 

3. Варианты индивидуальных заданий..........................................................10

 

Приложение.......................................................................................................12

 

Литература.........................................................................................................15

 

 

 

Сергей Павлович Белов

Светлана Борисовна Белова

Игорь Михайлович Мамонов

 

 

Тепловой эффект реакции

 

Методические указания к лабораторным работам по курсу “Физическая химия”

2-е издание, исправленное и дополненное

 

 

Редактор М.А. Соколова.

Подп. в печ. 15.11.05. Уч.-изд.л. – 0,69. Тираж 50 экз. Зак. __182___

Издательский центр МАТИ, 109240, Москва, Берниковская наб., 14.