Занятие № 3 ема: Энергетика химических реакций

Занятие № 3 ема: Энергетика химических реакций.

Занятие № 3

Тема: Энергетика химических реакций.

II. Актуальность темы: Все химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами: выделением или поглощением тепла, света, энергии. Термодинамика изучает взаимные превращения различных видов энергии, отвечает на вопрос о возможности и направлении процессов, рассчитывает их тепловые эффекты. Полученные знания способствуют более глубокому усвоению многих разделов неорганической химии (химическая кинетика, химическое равновесие, учение о растворах), а также других химических и профильных дисциплин.

Цель:

- научиться производить термохимические расчеты, используя термодинамические свойства химических веществ;

-  уметь прогнозировать направление химических процессов;

-  научиться экспериментально определять энтальпии реакции нейтрализации.

Исходный уровень: 

Для усвоения материала темы нужно знать:

1. Типы химических реакций: реакции соединения, разложения, обмена.

2. Тепловой эффект химических реакций.

3. Тепловой эффект при растворении.

4. Электролитическая диссоциация кислот, оснований, солей. Сильные и слабые электролиты.

5. Ионные уравнения.

V. Учебно-целевые вопросы:

Основные понятия химической термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия индивидуальных веществ и многокомпонентных систем. Теплота и работа. Теплоты химических реакций при постоянной температуре или P и V. Термохимические уравнения. Закон Гесса. Расчеты изменения стандартных энтальпий химических реакций и физико-химических превращений на основе закона Гесса. Энтропия как мера неупорядоченности системы (уравнение Больцмана) Энергия Гиббса как критерий самопроизвольного протекания процесса. Энтальпийный и энтропийный факторы.

VI. После изучения темы студент должен

знать:

основные начала термодинамики, термохимия; значения термодинамических потенциалов (энергий Гиббса и Гельмгольца); следствия из закона Гесса;

уметь:

- интерпретировать термодинамические понятия: система, состояние, свойства, параметры и функции состояния, термодинамические процессы;

- интерпретировать законы термодинамики и термохимии (I, II законы, закон Гесса);

- рассчитывать термодинамические функции состояния системы, тепловые эффекты химических процессов;

- интерпретировать рассчитанные значения термодинамических функций с целью прогнозирования возможности осуществления и направление протекания химических процессов;

- трактовать роль химической термодинамики и энергетики в биологических системах и медицинской практике.

VII. Задачи:

1. Рассчитать тепловой эффект реакции для стандартных условий (∆Н0)

  3Mn3O4  +  8Al→  4Al2O3  +  9Mn

  если известно: ∆Н0298(Mn3O4) = - 1385 кДж/моль

∆Н0298(Al2O3)  = - 1675 кДж/моль

  Ответ: - 2550 кДж/моль

2. Вычислите (по закону Гесса) теплоту образования пероксида водорода Qx

H2 (г)  +  О2 (г)  =  Н2О2 (ж) + Qx, если  известно:

Н2О2 (ж) = Н2О (ж) + ЅО2 (г) + 98,2 кДж Н2 (г) + ЅО2 (г) = Н2О (ж) + 285,9 кДж

Ответ: 187,6 кДж/моль

3. Для процесса 2С(г)  +  О2 (г) = 2СО(г)∆G = - 275 кДж. Благоприятствует ли энтропийный фактор протеканию процесса? Объяснить.

4. Определите ∆G следующего процесса:

Fe3O4(к)  +  4CO(г)  = 3Fe + 4CO2(г),  если

∆G (Fe3O4(к)) = -1014 кДж/моль

∆G (CO(г))  =  -137,2 кДж/моль 

  ∆G (CO2(г))  = -394 кДж/моль

  Возможно ли самопроизвольное протекание процесса в стандартных условиях?

  Ответ:  -13,2 кДж

5. Как повлияет  повышение температуры на направление протекания реакции

H2 (г)  + ЅО2 (г) = Н2О (ж), если ∆Н0298<0;  TДS<0 ?

  Проанализировать уравнение Гиббса.

VIII. Лабораторная работа: «Определение теплоты реакции нейтрализации».

Цель работы: Освоение методики определения теплоты реакции нейтрализации.

Приборы и оборудование: лабораторный калориметр, термометр; мерные цилиндры.

Реактивы: растворы кислот и оснований

Теоретическая часть: Количество тепла, которое выделяется при образовании моля воды из Н+(Н3О+) и ОН - при стандартных условиях, называется теплотой нейтрализации. Взаимодействие сильных кислот и оснований, независимо от их природы всегда сводится к образованию воды из ионов водорода и гидроксид – ионов с выделением определенного количества тепла. Следовательно, тепловой эффект таких реакций (теплота нейтрализации) всегда постоянен и равен 56,98 кДж или 13,7 ккал

Н+(р-р) + ОН-(р-р) =Н2О(ж)+Qн

Qн= 56,96 кДж (13,7 ккал)

Если в реакцию нейтрализации вступают слабая кислота и сильное основание или сильная кислота и слабое основание, то теплота нейтрализации может быть больше или меньше 13,7 ккал. Объясняется это тем, что диссоциация слабых кислот и оснований сопровождается дополнительным тепловым эффектом, связанным с диссоциацией их на ионы и гидратацией ионов (при диссоциации теплота затрачивается, при гидратации выделяется). Если теплота гидратации больше теплоты диссоциации, то суммарный тепловой эффект больше 13,7 ккал.

Ход работы: Во взвешенный калориметрический стакан отмерить 30 мл 1М раствора щелочи и записать показание термометра. В отдельный стакан отмерить 30мл 1М раствора кислоты и измерить его температуру. Затем, при постоянном помешивании, вылить раствор кислоты в раствор щелочи и отмерить самую высокую температуру, которую покажет термометр после сливания растворов. 

Определение провести 2 раза с сильными кислотами и 1 раз со слабыми. В общем виде:

  щелочь + кислота = соль + вода +Qн

гдеQн – теплота нейтрализации.

  Результаты опытов записать в таблицу по форме:

Таблица 2.

Измеряемые величины	NaOH+HCl	KOH+H2SO4	NH4OH+ CH3COOH
Масса калориметрического стакана, m1(г).
Концентрация растворов, (молярная концентрация эквивалента), С(1/Z)моль/л
Объем каждого раствора, V, мл
Температура щелочи, tщ0
Температура кислоты, tк0
Начальная температура, t1=0,5(tщ0+tk0)
Температура после нейтрализации, t20
Общая масса растворов, m2=2V⋅ρ, где ρ - плотность раствора, равная 1г/мл
Теплота нейтрализации, в Qн ккал

  Теплоту нейтрализации рассчитать в Дж на моль кислоты по уравнению:

C = c1m1 + c2m2

QH=Δt⋅C /V⋅C(1/Z х)  Дж/моль кислоты, где

С1- теплоемкость стекла, равная 0,753 Дж/г. град.

С2 – теплоемкость раствора, равная 4,17 Дж/г. град.

Количество теплоты в 30 мл раствора нужно выразить в моль (1моль содержится в 1000 мл раствора, а в 30 мл содержится (30:1000) 0,03 моль кислоты.

Таким образом:  n = C⋅V = 0,03 моль

Примечание: Известно, что 1 кал равна 4,18 Дж. Теплоту нейтрализации можно выразить и в ккал. В таблице величину теплоты нейтрализации нужно указать в ккал.

Оформление протокола. В лабораторном журнале должны быть приведены:

  1) название работы;

  2) цель работы;

  3) приборы и оборудование;

  4) реактивы;

  5) сущность работы;

  6) экспериментальные данные: концентрации растворов, объемы растворов, результаты измерения температуры растворов, масса калориметрического стакана (табл.2.)

  7) справочные данные: удельные теплоемкости, плотности;

  8)  уравнения реакций, результаты расчетов;

  9) выводы. 

IX. Литература для самоподготовки:

1. , , . Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Под ред. 10 –е изд. перераб. и доп.  2014 г.560 с.

2. Общая и неорганическая химия. Учебник для ВУЗов. – М.: Высшая школа, издательский центр «Академия», 2001.

3.   Общая химия : учебник/ , . - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. -976 с.: ил.

4.Учебное пособие по общей и неорганической химии для самостоятельной работы студентов 1 курса фармацевтического факультета. Оренбург, 2009.- с. 74 – 84.

5.Конспект лекций.