ΧΗΜΕΙΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Θερμοχημεία, είναι ο κλάδος της χημείας που μελετά τις μεταβολές ενέργειας που συνοδεύουν τις χημικές αντιδράσεις.

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Θερμοχημεία, είναι ο κλάδος της χημείας που μελετά τις μεταβολές ενέργειας που συνοδεύουν τις χημικές αντιδράσεις. Ενθαλπία (Η), ονομάζεται η ολική ενέργεια ενός συστήματος, το οποίο υφίσταται κάποια χημική ή φυσική μεταβολή, σε σταθερή πίεση. Η ενθαλπία ενός συστήματος δεν προσδιορίζεται, αυτό που μας ενδιαφέρει και μετράμε είναι η μεταβολή της. Η μεταβολή ενθαλπίας (ΔΗ) ενός συστήματος είναι ίση με τη διαφορά της τελικής ενθαλπίας από την αρχική: ΔΗ = Η τελ - Η αρχ Όταν η αντίδραση πραγματοποιείται υπο σταθερή πίεση, η μεταβολή της ενθαλπίας είναι ίση με το απορροφούμενο ή εκλυόμενο ποσό θερμότητας (q). 1

2 Ενθαλπία αντίδρασης (ΔΗ), ορίζεται η μεταβολή ενθαλπίας ΔΗ μεταξύ των αντιδρώντων και προϊόντων, για δεδομένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας: ΔΗ = Η αντιδρώντων - Η προϊόντων Θερμοχημικές εξισώσεις, είναι οι εξισώσεις στο δεξιό μέρος των οποίων αναγράφεται η μεταβολή της ενθαλπίας (ΔΗ) ή το ποσό της θερμότητας (q) που εκλύεται ή απορροφάται κατά την αντίδραση. Ενδόθερμες αντιδράσεις, ονομάζονται οι αντιδράσεις που απορροφούν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας από το περιβάλλον. Στις ενδόθερμες αντιδράσεις, η ενθαλπία του συστήματος αυξάνεται, άρα: Η τελ. > Η αρχ. και ΔΗ = Η τελ. - Η αρχ. > 0 Στη θερμοχημική εξίσωση μίας ενδόθερμης αντίδρασης, η μεταβολή της ενθαλπίας έχει θετική τιμή, ενώ το ποσό θερμότητας αρνητική, για παράδειγμα: C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) ΔΗ = + 129,7 KJ ή C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) Q=-129,7 KJ Εξώθερμες αντιδράσεις, ονομάζονται οι αντιδράσεις που ελευθερώνουν ενέργεια υπό μορφή θερμότητας στο περιβάλλον. 2

3 Στις εξώθερμες αντιδράσεις, η ενθαλπία του συστήματος μειώνεται, άρα: Η τελ. < Η αρχ. και ΔΗ = Η τελ. - Η αρχ. < 0 Στη θερμοχημική εξίσωση μίας εξώθερμης αντίδρασης, η μεταβολή της ενθαλπίας έχει αρνητική τιμή, ενώ το ποσό θερμότητας θετική, για παράδειγμα: H 2(g) + C1 2(g) 2HC1 (g) ΔΗ = - 184,6 KJ ή H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) +184,6 KJ Η ενθαλπία αντίδρασης και η θερμότητα έχουν διαφορετικό πρόσημο, γιατί η ΔΗ αναφέρεται στο σύστημα, ενώ η q στο περιβάλλον. Η μεταβολή της ενθαλπίας μίας αντίδρασης εξαρτάται από: α. Τη φύση των αντιδρώντων. β. Τη φυσική κατάσταση των αντιδρώντων και των προϊόντων. γ. Τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Στις θερμοχημικές εξισώσεις θα πρέπει να δηλώνεται και η φυσική κατάσταση των σωμάτων που συμμετέχουν. Κατά τον υπολογισμό της ενθαλπίας μίας αντίδρασης, αντιδρώντα και προϊόντα ανάγονται στην ίδια θερμοκρασία. Πρότυπη κατάσταση: Πίεση: P = 1 atm ή 760 mmhg Θερμοκρασία: θ = 25 o C ή Τ = 298 Κ 3

4 Συγκέντρωση: C=1 M Πρότυπη ενθαλπία αντίδρασης (ΔΗ 0 ), ορίζεται η μεταβολή της ενθαλπίας μίας αντίδρασης σε πρότυπη κατάσταση. Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού (ΔΗ f ) μίας ένωσης ορίζεται η μεταβολή της ενθαλπίας κατά το σχηματιμό 1 mol της ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία, σε πρότυπη κατάσταση. Για παράδειγμα: C (γραφίτης) + O 2(g) CO 2(g) ΔΗ= -393,5KJ Η ΔΗ 0 μίας αντίδρασης μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: ΔΗ 0 = ΣΔΗ f(προϊόντων) - ΣΔΗ f(αντιδρώντων) Γενικά, για την αντίδραση ισχύει ότι: αα + ββ γγ + δδ, ΔΗ 0 = γ ΔΗ f(γ) + δ ΔΗ f (Δ) - α ΔΗ f (Α) - β ΔΗ f (β) Πρότυπη ενθαλπία καύσης (ΔΗ c ) μίας ουσίας ορίζεται η μεταβολή της ενθαλπίας κατά την πλήρη καύση 1 mol της ουσίας, σε πρότυπη κατάσταση. Για παράδειγμα: C 3 H 8(g) + 5O 2(g) 3CO 2(g) + 4H 2 O (1), ΔΗ c = -2220KJ Οι αντιδράσεις καύσης είναι εξώθερμες, για αυτό η ΔΗ c είναι πάντα αρνητική. 4

5 Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης (ΔΗ n ) ορίζεται η μεταβολή της ενθαλπίας κατά την πλήρη εξουδετέρωση 1 mol Η + ενός οξέος με μία βάση ή 1 mol ΟΗ - μίας βάσης με ένα οξύ, σε αραιό υδατικό διάλυμα, σε πρότυπη κατάσταση. Για παράδειγμα: HC1 (aq) + NaOH (aq) NaCI (aq) + H 2 O (l), ΔΗ n =-57,1KJ Οι αντιδράσεις εξουδετέρωσης είναι εξώθερμες, για αυτό η ΔΗ n είναι πάντα αρνητική. Η ΔΗ n για την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση, είναι περίπου σταθερή και ανεξάρτητη από το είδος του οξέος και της βάσης. Η ΔΗ n για την εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση, ή και αντίστροφα είναι μικρότερη κατά απόλυτη τιμή από τη ΔΗ n για την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση. Θερμιδόμετρο είναι μία συσκευή με την οποία μετράμε τα ποσά θερμότητας που εκλύονται ή απορροφώνται σε διάφορες φυσικοχημικές μεταβολές. Για να υπολογίσουμε το ποσό θερμότητας, χρησιμοποιούμε τις σχέσεις: α. Ιδανικό θερμιδόμετρο: Q = mcδτ β. Μη ιδανικό θερμιδόμετρο: Q = (C + mc)δτ Q: το ποσό θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται. m: η μάζα της ουσίας της οποίας μεταβάλεται η θερμοκρασία. 5

6 c: η ειδική θερμοχωρητικότητα της παραπάνω ουσίας. ΔΤ: η μεταβολή της θερμοκρασίας. C: η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέτρου. Ιδανικό ονομάζεται το θερμιδόμετρο το οποίο έχει θερμοχωρητικότητα μηδέν και μη ιδανικό αυτό που έχει θερμοχωρητικότητα διάφορη από το μηδέν. Η ειδική θερμοχωρητικότητα (c) εκφράζει το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 g της ουσίας κατά 1 o C. Οι μονάδες μέτρησής της είναι: cal g -1 grad -1 ή J g -1 grad -1. Η θερμοχωρητικότητα (C) εκφράζει το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί κατά 1 o C η θερμοκρασία ορισμένης ποσότητας της ουσίας και ισούται με το γινόμενο της μάζας επί την ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας: C = mc. Οι μονάδες μέτρησης της είναι: cal grad -1 ή J grad -1. Νόμος (ή αρχή) Lavoisier - Laplace: Το ποσό της θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται κατά την σύνθεση 1 mol μιας χημικής ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία είναι ίσο με το 6

7 ποσό θερμότητας που απορροφάται ή εκλύεται κατά την διάσπαση 1 mol της ίδιας χημικής ένωσης στα συστατικά της στοιχεία. Για παράδειγμα: C (s) + O 2(g) CO 2(g), ΔΗ ο f =-393,5KJ και CO 2(g) C (s) + O 2(g), ΔΗ ο f = +393,5KJ Η αρχή Lavoisier - Laplace είναι συνέπεια της αρχής διατήρησης της ενέργειας. Όταν η ενθαλπία μίας αντίδρασης είναι ΔΗ, η τιμή της ενθαλπίας της αντίθετης αντίδρασης είναι -ΔΗ. Νόμος του Hess: To ποσό της θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται σε μια χημική αντίδραση είναι το ίδιο είτε η αντίδραση πραγματοποιείται σε ένα είτε σε περισσότερα στάδια. Αξίωμα της αρχικής και της τελικής κατάστασης: Το ποσό θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται κατά την μετάβαση ενός χημικού συστήματος από μια καθορισμένη αρχική σε μια καθορισμένη τελική κατάσταση είναι ανεξάρτητο από τα ενδιάμεσα στάδια, με τα οποία μπορεί να πραγματοποιηθεί η μεταβολή. 7

8 Θερμοχημικοί κύκλοι: Είναι διαγραμματικές απεικονίσεις του νόμου του Hess. Με τη βοήθειά τους υπολογίζουμε τη μεταβολή της ενθαλπίας σε αντιδράσεις όπου ο άμεσος προσδιορισμός είναι δύσκολος ή αδύνατος, γιατί είναι πολύ αργές ή δεν πραγματοποιούνται σε συνήθεις συνθήκες. Για παράδειγμα, έστω η αντίδραση: Α Δ, ΔΗ η οποία πραγματοποιείται σε τρία επιμέρους στάδια: 1 ο στάδιο:α Β, ΔΗ 1 2 ο στάδιο: Β Γ, ΔΗ 2. 3 ο στάδιο: Γ Δ, ΔΗ 3. Θα ισχύει: ΔΗ = ΔΗ 1 + ΔΗ 2 + ΔΗ 3. Παράδειγμα: α. Το τελικό διάλυμα έχει όγκο V τ = V 1 + V 2 = 0,2L + 0,3L = 0,5L και περιέχει ΚΟΗ και ΚΝΟ 3 με συγκεντρώσεις: 8

9 C ΚΟΗ =n KOΗ / V τ = 0,05mol / 0,5L = 0,1 Μ C ΚΝO3 =n ΚΝO3 / V τ = 0,1mol / 0,5L = 0,2 Μ β. Υπολογίζουμε το ποσό θερμότητας που εκλύεται κατά τη διάρκεια της εξουδετέρωσης, με βάση το σώμα που αντιδρά πλήρως, δηλαδή το ΗΝΟ 3 : Όταν αντιδρά 1 mol ΗΝO 3, εκλύονται 57,1 KJ θερμότητας. Όταν αντιδρούν 0,1 mol ΗΝO 3, εκλύονται Q KJ θερμότητας. Άρα Q = 0,1 57,1 = 5,71 KJ Προβλήματα - Μεθοδολογία Θερμοχημείας A. Ενθαλπία αντίδρασης και Ποσότητες σωμάτων Στα προβλήματα της κατηγορίας αυτής δεδομένα (ή ζητούμενα) είναι οι ποσότητες των σωμάτων που παίρνουν μέρος σε μια χημική αντίδραση και το ποσό της θερμότητας που συνοδεύει την αντίδραση. Αναφέρθηκε ήδη ότι η θερμότητα που συνοδεύει μια χημική αντίδραση αντιστοιχεί σε καθορισμένες ποσότητες αντιδρώντων και προϊόντων. Άλλο ποσό θερμότητας εκλύεται αν κάψουμε ένα σπίρτο κι άλλο αν κάψουμε ένα δεμάτι ξύλα, παρ' ότι η χημική αντίδραση είναι η ίδια. Ορίσαμε προηγουμένως την έννοια ενθαλπία αντίδρασης ως το ποσό της θερμότητας υπό σταθερά πίεση που αντιστοιχεί στις στοιχειομετρικές ποσότητες αντιδρώντων και προϊόντων (αυτές που καθορίζουν οι συντελεστές των σωμάτων στη χημική εξίσωση), ώστε με τη βοήθειά της να μπορούμε να καθορίσουμε το ποσό της θερμότητας για οποιαδήποτε άλλη ποσότητα χημικών ουσιών. Ο τρόπος που γίνεται αυτό, είναι ο απλός στοιχειομετρικός 9

10 υπολογισμός μεταξύ των ποσοτήτων των ουσιών που συμμετέχουν στην αντίδραση (εκφρασμένες σε mol) και του ποσού της θερμότητας. CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g), ΔΗ = -890 kj x mol 2x mol x mol 2x mol 890x kj Άρα όταν γνωρίζουμε την ενθαλπία της αντίδρασης μπορούμε να υπολογίσουμε την ποσότητα των αντιδρώντων και των προϊόντων από τη θερμότητα της αντίδρασης και αντιστρόφως. 2.1 Η διάσπαση του CaCO 3 προς CaO και CO 2 απορροφά 178,03 kj/mol CaCO 3. Αν διαθέτουμε ενέργεια 213,38 kj, πόσα g CaCO 3 μπορούμε να διασπάσουμε και πόσα g CaO θα παραχθούν; Λύση Η στοιχειομετρία της θερμοχημικής εξίσωσης διάσπασης του CaCO 3 δίνει: CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g), ΔΗ = 178,03 kj 1 mol 1 mol 178,03 kj x; mol y; mol 213,38 kj x = 1,2 mol CaCO 3 ή 1,2 100 = 120 g CaCO 3 και y = 1,2 mol CaO ή 1,2 56 = 67,2 g CaO. 2.2 Για να υπολογιστεί η ενθαλπία σχηματισμού του υγρού νερού διοχετεύονται σε θερμιδόμετρο 1,4 L Η 2 σε stp και η αναγκαία για την καύση τους ποσότητα Ο 2 και μετράται η θερμότητα που εκλύεται ίση με 17,78 kj. Ποια είναι ενθαλπία σχηματισμού του νερού; Λύση 10

11 Μετατρέπουμε τον όγκο του Η 2 σε mol: 1,4/22,4 = 0,0625 mol. Η εξίσωση σχηματισμού του νερού από τα στοιχεία του είναι: Η 2(g) + ½ O 2(g) Η 2 Ο (1), ΔΗ = -x kj 1 mol x kj 0,0625 mol 17,78 kj x = 17,78/0,0625 = 284,48 kj Άρα η ενθαλπία σχηματισμού του υγρού νερού είναι -284,48 kj/mol. 2.3 Οι ενθαλπίες σχηματισμού του υδροχλωρίου και της αμμωνίας από τα στοιχεία τους είναι -92,05 kj/mol και -50,21 kj/mol αντιστοίχως σε θερμοκρασία 0 C. Μίγμα ίσων όγκων χλωρίου και αζώτου συνολικού όγκου 11,2 L σε stp αντιδρά πλήρως με υδρογόνο. Να υπολογιστεί το ποσό της θερμότητας που θα ελευθερωθεί κατά την αντίδραση του μίγματος. Λύση Επειδή το μίγμα περιέχει ίσους όγκους Cl 2 και N 2, το κάθε αέριο έχει όγκο 5,6 L. Η στοιχειομετρία των θερμοχημικών εξισώσεων των αντιδράσεων δίνει Cl 2(g) + H 2(g) 2HCl (g) ΔΗ = -2 92,05 kj 22,4 L 184,1 kj 5,6 L x;kj x = 46,03 kj N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) ΔΗ = -2 50,21 kj 22,4 L 100,42 kj 11

12 5,6 L y;kj y = 25,10 kj Άρα το συνολικό ποσό θερμότητας που εκλύεται στο δοχείο είναι 46,03+25,10=71,13 kj. 2.4 Δείγμα σιδήρου βάρους 32 g που περιέχει μικρή ποσότητα C καίγεται, οπότε εκλύονται 283,17 kj. Πόσο % C περιέχει το δείγμα; Δίδονται οι ενθαλπίες σχηματισμού των Fe 2 O 3 και του CO 2 : -820,06 και -393,30 kj/mol αντιστοίχως. Λύση Έστω ότι το δείγμα αποτελείται από x mol Fe και y mol C. Από το βάρος του μίγματος προκύπτει η εξίσωση 56x + 12y = 32 (1). Η στοιχειομετρία των θερμοχημικών εξισώσεων των καύσεων των συστατικών του μίγματος δίνει: 4Fe (s) + 3O 2(g) 2Fe 2 O 3(s) ΔΗ =-2 820,06 kj 4 mol 1640,12 kj x mol ω 1 = 410,03x kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) ΔΗ = -393,30 kj 1 mol 393,30 kj y mol ω 2 = 393,30y kj ω 2 ; kj ω 1 ; kj Οπότε η συνολική θερμότητα που εκλύεται είναι: 410,03x+393,30y=283,17 (2). Από τις (1) και (2) εξάγεται x = 0,54 και y = 0,16. Άρα στο δείγμα 12

13 περιέχονται 0,16 12 = 1,92 g C και έτσι το ποσοστό του C είναι 1,92/32 = 0,06 ή 6%. Ασκήσεις για λύση 2.5 Για να υπολογιστεί η ενθαλπία καύσης του άνθρακα κάηκαν 9,6 g άνθρακα, οπότε ελευθερώθηκε θερμότητα 314,64 kj. Ποια είναι η ενθαλπία καύσης του C και ποια η ενθαλπία σχηματισμού του CO 2 ; [ -393,30 kj/mol ] 2.6 Μίγμα υδρογόνου και οξυγόνου όγκου 756 L σε stp εισάγεται σε δοχείο και μετατρέπεται πλήρως σε H 2 O. Αν η ενθαλπία σχηματισμού του H 2 0 είναι -242,67 kj/mol, να βρεθεί η θερμότητα που αναμένουμε να ελευθερωθεί κατά την ανωτέρω μετατροπή. [ 5460,12 kj ] 2.7 Η ενθαλπία σχηματισμού της NH 3 από τα στοιχεία της είναι -46,2kJ/mol. Να βρεθεί πόσα kj θα εκλυθούν κατά το σχηματισμό 85 g NH 3. Επίσης να βρεθούν πόσα L N 2 σε stp και πόσα g H 2 χρησιμοποιήθηκαν. [ 231 kj, 56 L, 15 g ] 2.8 Οι ενθαλπίες καύσης του αιθυλενίου (C 2 H 4 ) και του αιθανίου (C 2 H 6 ) είναι -1414,19 και kj/mol αντίστοιχα. Μίγμα 8,064 L σε stp των δύο αυτών αερίων καίγεται και ελευθερώνει 526,68 kj. Να βρεθεί η σύσταση του αρχικού μίγματος. [ 68,5% C 2 H 4 31,5% C 2 H 6 ] 2.9 Οι ενθαλπίες σχηματισμού του HCl και του N 2 O από τα στοιχεία τους είναι -2,51 και +1,67 kj/mol αντίστοιχα. 4 g Η 2 αντιδρούν με περίσσεια Cl 2 και η θερμότητα που εκλύεται χρησιμοποιείται για τη μετατροπή ενός μίγματος Ν 2 και Ο 2 σε Ν 2 Ο. Να βρεθεί πόσα g Ν 2 Ο σχηματίστηκαν. [ 264 g ] 13

14 2.10 Σε κλειστό δοχείο θερμικά μονωμένο που περιέχει Η 2 διοχετεύουμε μίγμα Cl 2 και Ι 2. Αν οι ενθαλπίες σχηματισμού των HCl και ΗΙ είναι -92,05 kj/mol και +25,10 kj/mol αντίστοιχα, να βρεθεί η αναλογία όγκων Cl 2 και Ι 2 ώστε η θερμοκρασία του δοχείου να μείνει σταθερή. [ 3/11 ] 2.11 Η ενθαλπία καύσης του βουτανίου (C 4 H 10 ) είναι kj/mol. α) Να γραφεί η θερμοχημική εξίσωση της καύσης του βουτανίου. β) Ποσότητα βουτανίου ίση με 11,6 g καίγεται πλήρως. Να υπολογιστούν: i) το ποσό της θερμότητας που ελευθερώνεται, ii) η μάζα του G3 2 που παράγεται από την καύση. [ β) i) 576 kj ii) 35,2 g ] 2.12 Ορισμένη ποσότητα υγρής προπανόλης (C 3 Η 7 ΟΗ) καίγεται πλήρως με Ο 2, oπότε ελευθερώνονται 1338,90 kj. Να υπολογιστούν: α) ο όγκος της υγρής προπανόλης, β) ο όγκος του Ο 2 πoυ απαιτείται σε stp. Για την C 3 Η 7 ΟΗ ενθαλπία καύσης: 2008,32 kj/mol και πυκνότητα: 0,8 g/ml. [ α) 50,25 ml β) 67,2 L ] 2.13 Ποσότητα ίση με 15 L μετρημένα σε πίεση 0,82 atm και θερμοκρασία 27 C, καίγεται πλήρως. α) Να υπολογιστεί το ποσό της θερμότητας που εκλύεται κατά την καύση. β) Αυτό το ποσό θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση 52 g CΟ 2 από τα στοιχεία του. Να υπολογιστεί η ενθαλπία σχηματισμού του CΟ 2. Δίνεται ότι η ενθαλπία καύσης του είναι -900 kj/mol. [ α) 450 kj, β) 450 kj/mol ] 14

15 g δείγματος θείου καίγονται πλήρως, οπότε εκλύεται θερμότητα ίση με 58 kj. Να υπολογιστεί η καθαρότητα του δείγματος θείου. Οι προσμίξεις του δείγματος είναι αδρανείς. Δίνεται η ενθαλπία καύσης του θείου: -290 kj/mol. [ 91% ] 2.15 Σε δοχείο εισάγονται ορισμένες ποσότητες δύο σωμάτων Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση: 2Α + Β 2Γ με ΔΗ = 200 kj. Να υπολογίσετε το ποσό θερμότητας που απορροφάται, αν οι αρχικές ποσότητες των σωμάτων είναι: α) 4 mol A και 3 mol B, β) 8 mol A και 3 mol B, γ) 5 mol A και 2,5 mol B. [ α) 400 kj, β) 600 kj, γ) 250 kj ] L διαλύματος οξέος ΗΑ 0,2Μ αναμιγνύονται με 2 L διαλύματος ΝaΟΗ 0,25Μ. Κατά την αντίδραση αυτή ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 26 kj. Να υπολογιστούν: α) Οι ποσότητες των ηλεκτρολυτών στο τελικό διάλυμα. β) Η ενθαλπία εξουδετέρωσης του ΗΑ με NaΟΗ. [ α) 0,1 mol HA, 0,5 mol NaA β) -52 kj/mol ] g μίγματος άνθρακα και θείου καίγονται πλήρως, οπότε ελευθερώνεται θερμότητα ίση με 84 kj. Ποια είναι η σύσταση του αρχικού μίγματος; Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης του C και του S: -390 kj/mol και -300 kj/mol αντίστοιχα. [ 1,2 g C, 4,8 g S ] 2.18 Αέριο μίγμα που αποτελείται από CO και Η 2 έχει όγκο 6,72 L, μετρημένο σε stp. Κατά την πλήρη καύση του μίγματος ελευθερώνεται 15

16 ποσό θερμότητας ίσο με 85 kj. Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης του CO και του Η 2 : -280 kj/mol και -285 kj/mol αντίστοιχα. Να υπολογιστούν: α) οι μάζες των συστατικών του μίγματος, β) η % v/v σύσταση του μίγματος, γ) o όγκος του Ο 2, μετρημένος σε stp, που καταναλώθηκε για την καύση. [ α) 2,8 g CO, 0,4 g H 2, β) 33,3% CO, γ) 3,36 L ] 2.19 Σε δοχείο που περιέχει περίσσεια άνθρακα διαβιβάζονται 8,96 L μετρημένα σε stp, αερίου μίγματος Ο 2 και υδρατμών, οπότε πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις: C (s) + O 2(g) CO 2(g) ΔΗ 1 = -390 kj C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) ΔΗ 2 = 130 kj α) Αν τελικά ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 52 kj, να υπολογιστεί η σύσταση του αρχικού μίγματος σε mol. β) Ποια πρέπει να είναι η %v/v σύσταση του αρχικού μίγματος, ώστε κατά τις αντιδράσεις να μην παρατηρηθεί θερμική μεταβολή; [ α) 0,2 mol, 0,2 mol, β) 1:3 ] 2.20 Ποσότητα C ίση με 6 g αντιδρά πλήρως με Ο 2, οπότε παράγεται αέριο μίγμα CO και CO 2 και ελευθερώνεται ποσό θερμότητας 111 kj. α) Να υπολογιστεί η σύσταση του αερίου μίγματος CO και CO 2. β) Να γραφεί η θερμοχημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης. Δίνονται οι ενθαλπίες σχηματισμού, CO: -110 kj/mol και CO 2 : -390 kj/mol. [ α) 0,3 mol CO - 0,2 mol CO 2 β) 5C+7/2 O 2 3CO + 2CO 2 ΔΗ = -111 kj ] B. Θερμιδομετρικά Προβλήματα 16

17 Στα προβλήματα αυτά συνδέονται ποσοτικά η θερμότητα που συνοδεύει μια αντίδραση που γίνεται σε θερμιδόμετρο και η ανύψωση (ή ελάττωση) της θερμοκρασίας του συστήματος του θερμιδόμετρου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Η λύση των προβλημάτων αυτών γίνεται με τη χρήση της σχέσης της θερμιδομετρίας q=(κ δοχ +mc). ΔΤ, όπου Κ δοχ η θερμοχωρητικότητα του θερμιδομέ-τρου, m η μάζα του νερού του θερμιδομέτρου και c η ειδική θερμότητα του νερού Σε θερμιδόμετρο που περιέχει 2 kg νερό καίγονται 2,4 g άνθρακα. Αν η αρχική θερμοκρασία του νερού είναι 25 o C και η τελική είναι 33,8 o C, να βρεθεί η ενθαλπία καύσης του άνθρακα. Δίνεται η ειδική θερμότητα του νερού 4,184 J/g. K. Λύση Η θερμότητα που εκλύεται κατά την καύση των 2,4 g C απορροφάται από το θερμιδόμετρο και ανυψώνει τη θερμοκρασία των 2 kg νερού κατά ΔΤ=33,8-25=8,8 o C. Αντικατάσταση στη σχέση q = mcδτ = ,184. 8,8 = ,4 J ή 73,64 kj. Η θερμότητα καύσης του C αντιστοιχεί σε 1 mol C. Έτσι τα 2,4 g άνθρακα ελευθερώνουν 73,64 kj τα 12 g ««x; kj x = 368,2 kj και η ενθαλπία καύσης του C είναι -368,2 kj/mol. Ασκήσεις για λύση 2.22 Θερμιδόμετρο αμελητέας θερμοχωρητικότητας περιέχει 4 kg νερό το οποίο θερμαίνεται από την καύση 6,72 L οργανικής ένωσης μετρημένα σε stp. Αν η αρχική θερμοκρασία του νερού ήταν 25,5 o C και η τελική είναι 33,5 o C, να βρεθεί η ενθαλπία καύσης της ένωσης σε kj/mol. Δίνεται η ειδική θερμότητα του νερού 4,184 J/g. K. 17

18 [ -446,3 kj/mol ] 2.23 Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση καύσης του αιθυλενίου C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O ΔH=-1410kJ. Να υπολογιστεί πόσα kg νερού 20 o C μπορούν ν' αποκτήσουν θερμοκρασία 90 o C, αν θερμανθούν με το ποσό θερμότητας που παράγεται από την καύση 1 m 3 αιθυλενίου σε stp. Για το νερό c = 4,184 J/g. K. [ 214,92 kg ] 2.24 Σε θερμιδόμετρο που περιέχει 25 ml διαλύματος CuSO 4 1M προστίθεται μεταλλικός Zn ο οποίος αντιδρά με τον CuSO 4 και η θερμοκρασία του διαλύματος αυξάνει από 20,2 o C στους 70,8 o C. Να γράψετε τη θερμοχημική εξίσωση της αντίδρασης. Δίνονται η ειδική θερμότητα του διαλύματος 4,184 kj/kg. K και η πυκνότητα του διαλύματος 1 g/ml. Να θεωρήσετε ότι η θερμότητα που απορροφούν το θερμιδόμετρο και τα αντιδραστήρια είναι αμελητέα. [ 211,5 kj/mol ] 2.25 Για να θερμάνουμε το περιεχόμενο ενός θερμοσίφωνα που περιέχει 200L νερό από τους 20 o στους 60 o χρησιμοποιούμε καυστήρα βουτανίου αμελητέας θερμοχωρητικότητας, ο οποίος όμως παρουσιάζει απώλειες θερμότητας 25%. Να βρεθεί ο όγκος του βουτανίου σε stp που πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του νερού στο θερμοσίφωνα. Δίνονται: η ειδική θερμότητα του νερού 4,184 kj/kg. K, η πυκνότητα του 1 g/ml. και η θερμοχημική εξίσωση καύσης του βουτανίου C 4 Η /2 O 2 4CO 2 + 5Η 2 0 ΔΗ c = -2878,60 KJ. [ 347,3 L ] ,3g αιθανόλης (C 2 Η 5 ΟΗ) καίγονται πλήρως σ' ένα θερμιδόμετρο, το οποίο περιέχει 1 kg νερού. Η αρχική θερμοκρασία του νερού είναι 20 ο C Να υπολογιστεί το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται κατά την καύση, δίνεται: ενθαλπία καύσης της C 2 Η 5 ΟΗ: kj/mol. 18

19 [ 70 kj] 2.27 Ποιος όγκος αιθανίου (C 2 Η 6 ) μετρημένος σε stp πρέπει να καεί σε θερμιδόμετρο ώστε το ποσό θερμότητας που εκλύεται να αυξήσει τη θερμοκρασία 4 L νερού από τους 20 C στους 57 C; Δίνονται: η ενθαλπία καύσης του C 2 Η 6 : -1548,08 kj/mol, c νερ = 4,184 J. g -1. Κ -1 και ρ νερ = 1 g/ml. [ 8,96 L] Γ. Αξίωμα αρχικής και τελικής κατάστασης Όταν μας δίνουν ένα πρόβλημα στο οποίο το ζητούμενο είναι η ενθαλπία μιας αντίδρασης και τα δεδομένα είναι οι ενθαλπίες άλλων αντιδράσεων, τότε θα συνδυάζουμε τις θερμοχημικές εξισώσεις των δεδομένων αντιδράσεων κατά τέτοιο τρόπο, ώστε το αλγεβρικό τους άθροισμα να μας δίνει τη ζητούμενη αντίδραση. Με κατάλληλες αντιστροφές, καθώς και πολλαπλασιασμούς ορισμένων από αυτές με κατάλληλους συντελεστές και με τελική πρόσθεση κατά μέλη των διαμορφωμένων εξισώσεων θα απαλείφονται διάφορα σώματα που δεν εμφανίζονται στη ζητούμενη αντίδραση και η ενθαλπία αυτής θα προκύπτει από το αλγεβρικό άθροισμα των ενθαλπιών των τροποποιημένων εξισώσεων. Υπενθυμίζουμε εδώ, ότι αν πολλαπλασιάσουμε μια χημική εξίσωση επί ένα συντελεστή θα πολλαπλασιάζουμε και την ενθαλπία της αντίδρασης με τον ίδιο συντελεστή. Επίσης αν αντιστρέψουμε μια χημική εξίσωση θ' αλλάζουμε και το πρόσημο της ενθαλπίας της αντίδρασης Όταν είναι γνωστές οι ενθαλπίες σχηματισμού σε kj/mol των CO 2 :-393,50 Η 2 O:-285,85 C 2 Η 4 :+52,30 να βρεθεί η ενθαλπία καύσης του C 2 Η 4. Λύση Η χημική εξίσωση της οποίας μας ζητείται η θερμότητα είναι η C 2 Η 4 + 3Ο 2 2CO 2 + 2Η 2 Ο (1) 19

20 Από τα δεδομένα πρέπει να σχηματίσουμε την (1) γι' αυτό εργαζόμαστε ως εξής: Σχηματίζουμε τις εξισώσεις σχηματισμού όλων των σωμάτων που μας δίνουν C + O 2 CO 2-393,50 kj (2) H 2 + ½ O 2 H 2 O -285,85 kj (3) 2C + 2H 2 C 2 H 4 +52,30 kj (4) Πολλαπλασιάζουμε τις (2) και (3) επί 2, αντιστρέφουμε την (4) και προσθέτουμε κατά μέλη 2C + 2O 2 2CO ,50 kj 2H 2 + O 2 2H 2 O ,85 kj C 2 H 4 2C + 2H 2-52,30 kj C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O -1411,00 kj 2.31 α) Ποιο ποσό θερμότητας εκλύεται με την καύση 0,5 mol CH 4 όταν γνωρίζουμε τις ενθαλπίες σχηματισμού για τις ενώσεις CO 2 : -393,50 kj/mol H 2 O (l) : -285,85 kj/mol και CH 4 : -77,82 kj/mol σε 1 atm και 25 o C. β) Ποιον όγκο NO 2 σε stp μπορεί να διασπάσει σύμφωνα με την αντίδραση: 2NO 2 2ΝΟ + Ο 2 η παραπάνω εκλυόμενη ποσότητα θερμότητας, αν είναι γνωστές οι ενθαλπίες σχηματισμού του ΝΟ: +90,37 kj/mol και του ΝΟ 2 : +33,89 kj/mol; Λύση Η χημική εξίσωση της οποίας πρέπει να βρούμε τη θερμότητα είναι η CH 4 + 2Ο 2 CO 2 + 2Η 2 Ο (1) Από τα δεδομένα πρέπει να σχηματίσουμε την (1) γι' αυτό εργαζόμαστε ως εξής: 20

21 Γράφουμε τις εξισώσεις σχηματισμού όλων των σωμάτων που μετέχουν σ' αυτή. C + O 2 CO 2-393,50 kj (2) H 2 + ½ O 2 H 2 O -285,85 kj (3) C + 2H 2 CH 4-77,82 kj (4) Με οδηγό την ζητούμενη εξίσωση παρατηρούμε ότι πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την (3) επί 2, και να αντιστρέψουμε την (4) και να προσθέσουμε κατά μέλη C + O 2 CO 2-393,50 kj 2H 2 + O 2 H 2 O ,85 kj CH 4 C + 2H 2 +77,82 kj CH 4 + 2Ο 2 CO 2 + 2Η 2 Ο -887,38 kj 1 mol Q= 887,38 kj 0,5 mol x; kj x = 443,69 kj Με όμοιο τρόπο βρίσκουμε τη θερμότητα που απαιτείται για να διασπαστεί το διοξείδιο του αζώτου ½ N 2 + O 2 NO 2 +33,89 kj (5) ½ N 2 + ½ O 2 NO +90,37 kj (6) Πολλαπλασιάζουμε και τις δύο επί 2, αντιστρέφουμε την (5) και προσθέτουμε 2NO 2 N 2 + 2O ,89 kj N 2 + O 2 2NO ,37 kj 2NO 2 2NO + O ,96 kj 2 mol 112,96 kj x; mol 443,69 kj 21

22 x = 7,86 mol ή 7,86 22,4 = 176 L NO 2. Ασκήσεις για λύση 2.32 Ποια είναι η ενθαλπία καύσης του ακετυλενίου (C 2 H 2 ) προς CO 2 και H 2 O (l), αν είναι γνωστές οι ενθαλπίες σχηματισμού του CO 2 : -94,05 kcal/mol, του H 2 O (l) : -68,32 kcal/mol και του C 2 H 2 : +54,2 kcal/mol; [ -310,62 kcal/mol ] 2.33 Υπολογίστε την ενθαλπία καύσης του μεθανίου αν είναι γνωστές οι ενθαλπίες σχηματισμού του CO 2 :-94,05kcal/mol, του H 2 O (l) :-68,32 kcal/mol και του CH 4 :-17,89 kcal/mol. [ -212,8 kcal ] 2.34 Ποια είναι η ενθαλπία σχηματισμού της ζάχαρης (C 6 H 12 O 6 ) αν η ενθαλπία καύσης της ζάχαρης προς διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς είναι kcal/mol; Δίνονται οι ενθαλπίες σχηματισμού του CO 2-94,05 kcal/mol και του H 2 O (g) -57,80 kcal/mol. [ -414,4 kcal/mol ] 2.35 Υπολογίσατε τη ενθαλπία της αντίδρασης NH 3 + HCl NH 4 Cl από τις ενθαλπίες σχηματισμού των ενώσεων: NH 3 : -11,02 kcal/mol, HCl: -22,06 kcal/mol και του NH 4 Cl: -75,14 kcal/mol. [ -42,06 kcal ] 2.36 Να υπολογιστεί η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του HCl (g) από CH 4(g) και Cl 2(g) κατά την αντίδραση: CH 4(g) + 4Cl 2(g) CCl 4(g) + 4HCl (g), ΔΗ = -397 kj. Δίνονται: ΔH f o (CH4) = -74,8 kj/mol και ΔΗ f o (HCl) =-102,6 kj/mol. [ -92,3 kj/mol ] 22

23 2.37 Υπολογίστε τη ενθαλπία σχηματισμού του Ca(OH) 2 από τα ακόλουθα δεδομένα: H 2 + ½ O 2 H 2 O ΔΗ 1 =-68,31 kcal CaO + H 2 O Ca(OH) 2 ΔΗ 2 = -15,3 kcal Ca + ½ O 2 CaO [ -235,41 kcal/mol ] ΔΗ 3 = -151,8 kcal. 23