3 ο Μάθηµα: Ενδόθερµες - εξώθερµες αντιδράσεις Ενθαλπία αντίδρασης ( Η) 4 ο Μάθηµα: Θερµιδοµετρία - Νόµοι θερµοχηµείας
5.
51. 3 o Ενδόθερµες - εξώθερµες αντιδράσεις Ενθαλπία αντίδρασης ( Η) Α. ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ Θερµοχηµεία: Είναι ο κλάδος της χηµείας που µελετά τις µεταβολές της ενέργειας που συνοδεύουν τις χηµικές αντιδράσεις. Πιο συγκεκριµένα µελετά τις µετατροπές της χηµικής ενέργειας σε θερµική και αντίστροφα. Οι αντιδράσεις στις οποίες παρατηρείται έκλυση ή απορρόφηση θερµότητας ονοµάζονται θερµοχηµικές και διακρίνονται σε ενδόθερµες και εξώθερµες. Παρατήρηση: Αντιδράσεις στς οποίες δεν παρατηρείται έκλυση ή απορρόφηση θερµότητας ή αν παρατηρείται είναι αµελητέα, χαρακτηρίζονται θερµοουδέτερες. Ενδόθερµες αντιδράσεις: Ενδόθερµες λέγονται οι αντιδράσεις που παίρνουν (απορροφούν) ενέργεια από το περιβάλλον. Εξώθερµες αντιδράσεις: Εξώθερµες λέγονται οι αντιδράσεις που δίνουν (εκλύουν) ενέργεια στο περιβάλλον. Ενθαλπία (Η): Ενθαλπία ονοµάζεται η ολική ενέργεια ενός χηµικού συστήµατος, το οποίο υφίσταται κάποια χηµική ή φυσική µεταβολή σε σταθερή πίεση. Στις θερµοχηµικές αντιδράσεις η ενθαλπία του συστήµατος µεταβάλλεται. Πιο συγκεκριµένα, στις ενδόθερµες αντιδράσεις η ενθαλπία του συστήµατος αυξάνεται γιατί το σύστηµα απορροφά ενέργεια, ενώ στις εξώθερµες που το σύστηµα εκλύει ενέργεια, ελαττώνεται. Παρατήρηση: Η ενθαλπία ενός συστήµατος δεν µπορεί να προσδιοριστεί. Αυτό που µας ενδιαφέρει και µετράµε, είναι η µεταβολή της.
52. Μεταβολή ενθαλπίας ( Η): Η µεταβολή της ενθαλπίας σε ένα σύστηµα είναι ίση µε την διαφορά της τελικής ενθαλπίας από την αρχική. ηλαδή: Η = Η τελ. Η αρχ. Όταν η αντίδραση πραγµατοποιείται υπό σταθερή πίεση, η µεταβολή της ενθαλπίας Η είναι ίση µε το απορροφούµενο ή εκλυόµενο ποσό θερµότητας q. Παρατήρηση: α. Στις ενδόθερµες αντιδράσεις, η ενθαλπία του συστήµατος αυξάνεται. Για αυτό: Ητελ. > Ηαρχ. και Η = Η τελ. Η αρχ. > β. Στις εξώθερµες αντιδράσεις, η ενθαλπία του συστήµατος ελαττώνεται. Για αυτό: Ητελ. < Ηαρχ. και Η = Η τελ. Η αρχ. < Ενθαλπία αντίδρασης ( Η): Ενθαλπία αντίδρασης ορίζεται η µεταβολή ενθαλπίας ( Η) αντιδρώντων και προϊόντων, για δεδοµένες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. Η = Η προϊόντων Η αντιδρώντων Σε αντίδραση της µορφής: αα + ββ γγ + δ Η προϊόντων : Η ενθαλπία των γ mol Γ και δ mol Η αντιδρώντων : Η ενθαλπία των α mol A και β mol Β Θερµοχηµικές εξισώσεις: Θερµοχηµική εξίσωση είναι η εξίσωση στο δεξιό µέρος της οποίας αναγράφεται η µεταβολή της ενθαλπίας ( Η) ή το ποσό της θερµότητας (q) που εκλύεται ή απορροφάται κατά την αντίδραση. Ενδόθερµες αντιδράσεις: Όταν γράφουµε τη θερµοχηµική εξίσωση µίας ενδόθερµης αντίδρασης, η µεταβολή της ενθαλπίας έχει θετική τιµή, ενώ, το ποσό θερµότητας αρνητική. Παράδειγµα: Η αντίδραση στερεού άνθρακα µε υδρατµούς που οδηγεί σε σχηµατισµό αερίου µίγµατος µονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου, είναι ενδόθερµη αντίδραση. Η θερµοχηµική της εξίσωση µπορεί να γραφτεί: C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) Η = + 129,7 KJ ή C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) -129,7 KJ ηλαδή, η ενθαλπία 1 mol CO (g) και 1 mol H 2(g) είναι κατά 129,7 KJ µεγαλύτερη από την
53. ενθαλπία 1 mol C (s) και 1 mol H 2 O (g) ή κατά την αντίδραση 1 mol C (s) µε 1 mol H 2 O (g) απορροφούνται από το περιβάλλον 129,7 KJ θερµότητας. Εξώθερµες αντιδράσεις: Όταν γράφουµε τη θερµοχηµική εξίσωση µίας εξώθερµης αντίδρασης, η µεταβολή της ενθαλπίας έχει αρνητική τιµή, ενώ, το ποσό θερµότητας θετική. Παράδειγµα: Ο σχηµατισµός αερίου υδροχλωρίου από αέριο υδρογόνο και αέριο χλώριο, είναι εξώθερµη αντίδραση. Η θερµοχηµική της εξίσωση µπορεί να γραφτεί: H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) Η = - 184,6 ΚJ ή H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) +184,6 ΚJ ηλαδή, η ενθαλπία 2 mol HCl (g) είναι κατά 184,6 KJ µικρότερη από την ενθαλπία 1 mol H 2(g) και 1 mol Cl 2(g) ή κατα την αντίδραση 1 mol H 2(g) µε 1 mol Cl 2(g), εκλύονται στο περιβάλλον 184,6 KJ θερµότητας. Παρατήρηση: α. Η ενθαλπία αντίδρασης ( Η) και η θερµότητα (q) έχουν διαφορετικό πρόσηµο γιατί η Η αναφέρεται στο σύστηµα ενώ η q στο περιβάλλον. β. Η ενθαλπία και η θερµότητα µετριούνται σε µονάδες ενέργειας, δηλαδή, σε ΚJ ή Κcal. 1Kcal = 4,184 KJ. Παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η µεταβολή της ενθαλπίας ( Η) µιας αντίδρασης: α. Από τη φύση των αντιδρώντων: π.χ. C (γραφίτης) + Ο 2(g) CO 2(g), Η 1 = -393,5KJ C (διαµάντι) + Ο 2(g) CO 2(g), Η 2 = -395,4KJ Παρατηρούµε ότι διαφορετική είναι η ενθαλπία της αντίδρασης, αν καεί άνθρακας µε τη µορφή γραφίτη από ότι αν καεί µε τη µορφή διαµαντιού.
54. β. Από τη φυσική κατάσταση των αντιδρώντων και των προϊόντων: π.χ. H 2(g) + 1/2 Ο 2(g) Η 2 Ο (g), Η 1 = - 241,8 ΚJ H 2(g) + 1/2 Ο 2(g) Η 2 Ο (l), Η 2 = - 285,8 ΚJ Παρατηρούµε ότι η µεταβολή της ενθαλπίας κατά το σχηµατισµό Η 2 Ο (l) είναι µεγαλύτερη από ότι κατά το σχηµατισµο Η 2 Ο (g) γιατί η µετατροπή του Η 2 Ο (l) σε Η 2 Ο (g) είναι φαινόµενο ενδόθερµο. Γενικά, όταν σχηµατίζεται Η 2 Ο από Η 2 και Ο 2, το µεγαλύτερο ποσό θερµότητας θα ελευθερωθεί στο περιβάλλον όταν το νερό είναι πάγος, µικρότερο αν είναι υγρό και ακόµα µικρότερο αν είναι αέριο. Αυτό συµβαίνει γιατί για να µετατραπεί το στερεό σε υγρό και αυτό σε αέριο, πρέπει να απορροφηθεί κάθε φορά ένα ποσό θερµότητας. Για αυτό στις θερµοχηµικές εξισώσεις θα πρέπει να σηµειώνεται και η φυσική κατάσταση των σωµάτων που συµµετέχουν. γ. Από τις συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας: Για αυτό κατά τον υπολογισµό της ενθαλπίας µίας αντίδρασης σε θερµοκρασία θ ο C θα πρέπει τα προϊόντα και τα αντιδρώντα να ανάγονται στην ίδια θερµοκρασία θ ο C. Παρατήρηση: Η ενθαλπία µιας αντίδρασης αναφέρεται στην αντίδραση όπως αυτή είναι γραµµένη στη χηµική εξίσωση. π.χ. Η ενθαλπία της αντίδρασης σχηµατισµού 1 mol Η 2 Ο (g) από H 2(g) και Ο 2(g) είναι Η = - 241,8 ΚJ: H 2(g) + 1/2 Ο 2(g) Η 2 Ο (g), Η 1 = - 241,8 ΚJ Ενώ για τον σχηµατισµό 2 mol Η 2 Ο (l) από H 2(g) και Ο 2(g) είναι: Η = -2 241,8 ΚJ: 2H 2(g) + Ο 2(g) 2Η 2 Ο (g), Η 1 = - 2 241,8 ΚJ
55. Πρότυπη κατάσταση: Επειδή η ενθαλπία µίας αντίδρασης εξαρτάται από τις συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας, ορίστηκε µια κατάσταση αναφοράς η πρότυπη κατάσταση, προκειµένου να είναι δυνατή η σύγκριση των τιµών της µεταβολής της ενθαλπίας διαφόρων αντιδράσεων. Ορίζουµε ως πρότυπη, την κατάσταση µίας ουσίας στην οποία έχουµε: Πίεση P = 1 atm ή 76 mmhg Θερµοκρασία Θ = 25 o C ή T = 298K Συγκέντρωση c = 1Μ (για τα διαλύµατα) Πρότυπη ενθαλπία αντίδρασης ( Η ): Ως πρότυπη µεταβολή ενθαλπίας ή πρότυπη ενθαλπία, ορίζεται η µεταβολή της ενθαλπίας µίας αντίδρασης σε πρότυπη κατάσταση. Πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού ( Η f ): Ως πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού µίας ένωσης, ορίζεται η µεταβολή της ενθαλπίας κατά το σχηµατισµό 1 mol της ένωσης από τα συστατικά της στοιχεία, σε πρότυπη κατάσταση και συµβολίζεται Η. π.χ. C (γραφίτης) + Ο 2(g) CO 2(g), Η f = -393,5KJ ηλαδή, κατά το σχηµατισµό 1 mol CO 2(g), σε πρότυπη κατάσταση, εκλύονται στο περιβάλλον 393,5 ΚJ θερµότητας. Παρατήρηση: α. Η Η των στοιχείων στην πιο σταθερή µορφή τους θεωρείται µηδέν. f Η = ενώ Η, Ηf( ) = ενώ Η Ο f( Ο ) π.χ. f( γραφιτης) f( διαµαντι) 2 3 β. Η πρότυπη ενθαλπία ( Η ) µίας αντίδρασης µπορεί να υπολογιστεί από τις πρότυπες ενθαλπίες σχηµατισµού των ενώσεων που παίρνουν µέρος στην αντίδραση: Η = Σ Η - Σ Η f( προιοντων) f( αντιδρωντων) ηλαδή, για τη θερµοχηµική εξίσωση της γενικής µορφής: αα + ββ γγ + δ, Η ισχύει: Η = γ Η + δ Η - α Η - β Η f( Γ) f( ) f( Α) f( Β) π.χ. Για την αντίδραση: 2ΝΗ 3(g) + 3Cl 2(g) N 2(g) + 6HCl (g), Η ισχύει: Η = 1 Η f( Ν2 ) + 6 Η f(hcl) - 2 Ηf(NH 3 )- 3 2 Η f(cl ) όµως: Η f( Ν2 ) =, Η f(cl 2 ) = ( Η στοιχείων στη σταθερότερη µορφή τους) Άρα: Η = 6 Η f(hcl) - 2 3 f Η f(nh )
56. Πρότυπη ενθαλπία καύσης ( Η ): c Ως πρότυπη ενθαλπία κάυσης ορίζεται η µεταβολή της ενθαλπίας κατά την πλήρη καύση 1 mol της ουσίας, σε πρότυπη κατάσταση. π.χ. C H + 5O 3CO + 4H O, Η = 222KJ 3 8g ( ) 2g ( ) 2g ( ) 2 ( l) C ηλαδή, κατά την καύση 1 mol προπανίου (C 3 H 8 ) σε πρότυπη κατάσταση, εκλύονται 222ΚJ θερµότητας. Η Ηc είναι πάντα αρνητική, γιατί όλες οι αντιδράσεις καύσης είναι εξώθερµες. Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ( Η ): n Ως πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης 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. π.χ. HCl + NaOH NaCI + H O, Η = 57,1KJ ( aq) ( aq) ( aq) 2 ( l) n ηλαδή, κατά την εξουδετέρωση 1 mol υδροχλωρίου (HCl) µε 1 mol υδροξειδίου του νατρίου (ΝaΟΗ), εκλύονται 57,1ΚJ θερµότητας. Η Η n είναι πάντα αρνητική, γιατί όλες οι αντιδράσεις εξουδετέρωσης είναι εξώθερµες. Παρατήρηση: α. Η Η n για την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση είναι περίπου σταθερή και ανεξάρτητη από το είδος του οξέος και της βάσης. Αυτό συµβαίνει γιατί τα ισχυρά οξέα ιοντίζονται πλήρως και οι ισχυρές βάσεις διϊστανται πλήρως, µε αποτέλεσµα πάντα η µόνη αντίδραση που γίνεται κατά την εξουδετέρωση να είναι: H + OH H O, Η = 57,1KJ + (aq) (aq) 2 (l) n β. Κατά την εξουδετέρωση ασθενούς οξέους από ισχυρή βάση ή αντίστροφα, µέρος της εκλυόµενης ενέργειας δαπανάται για τον ιοντισµό του ασθενούς ηλεκτρολύτη. Για αυτό, η Η n ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση ή αντίστροφα, είναι µικρότερη κατ απόλυτη τιµή από την Η n ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση ή κατά την εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση ή αντίστροφα, εκλύεται µικρότερο ποσό θερµότητας από ότι κατά την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση. π.χ. HCN + NaOH NaCN + H O, Η = 1, 6 KJ ( aq) ( aq) ( aq) 2 ( l) n HCl + NaOH NaCI + H O, Η = 57,1KJ ( aq) ( aq) ( aq) 2 ( l) n
57. Β. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ Κατηγορία Μέθοδος 1 Ασκήσεις στοιχειοµετρικών υπολογισµών µε βάση το ποσό θερµότητας: Η ενθαλπία µιάς αντίδρασης αποτελεί παράγοντα της στοιχειοµετρίας. ηλαδή αναφέρεται σε τόσα mol αντιδρώντων και προϊόντων, όσοι είναι οι συντελεστές των σωµάτων αυτών στην αντίστοιχη θερµοχηµική εξίσωση. Μπορούµε λοιπόν να χρησιµοποιήσουµε την ενθαλπία αντίδρασης στους διάφορους στοιχειοµετρικούς υπολογισµούς. ηλαδή, όταν γνωρίζουµε το πόσο θερµότητας που εκλύεται ή απορροφάται στην αντίδραση (ή τη µεταβολή της ενθαλπίας), µπορούµε να υπολογίσουµε τις ποσότητες προϊόντων και αντιδρώντων και αντίστροφα. Παράδειγµα 1: Κατά την καύση 84g αιθυλενίου (C 2 ) σε ορισµένες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας, απελευθερώθηκαν 12 Κcal θερµότητας. α. Να υπολογίσετε την ενθαλπία καύσης του C 2 στις παραπάνω συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. β. Αν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας, κατά την καύση του C 2 εκλυθούν 425 Κcal θερµότητας, να υπολογίσετε την µάζα του CO 2 που παράχθηκε. γ. Ποιός όγκος Ο 2, µετρηµένος σε S.T.P., πρέπει να αντιδράσει µε C 2 στις παραπάνω συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης, ώστε να ελευθερωθούν 85 Kcal θερµότητας. ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, O = 16, H = 1. Λύση: Η θερµοχηµική εξίσωση της καύσης του αιθυλενίου είναι: C 2 (g) + 3Ο 2(g) 2CO 2(g) + 2Η 2 Ο (l), Η c = ; α. Θα πρέπει να υπολογίσουµε το ποσό θερµότητας που εκλύεται κατά την καύση 1 mol C 2. Μr C2 = 2Ar C + 4Ar H = 2 12 + 4 1 = 28 m 84g Τα mol του C 2 που αντέδρασαν είναι: n = 3mol Mr = 28g / mol = Άρα έχουµε: 3 mol C 2 ελευθερώνουν 12 Κcal 1 molc 2 ελευθερώνει x; Kcal x = 34 Kcal ηλαδή η ενθαλπία καύσης του C 2 στις συγκεκριµένες συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης είναι Η c = -34 Kcal/mol. β. Από το ερώτηµα α. γνωρίζουµε την ενθαλπία καύσης του C 2 και η θερµοχηµική εξίσωση της καύσης γίνεται: C 2 (g) + 3Ο 2(g) 2CO 2(g) + 2Η 2 Ο (l), Η c = -34 Κcal
58. Από τη θερµοχηµική εξίσωση έχουµε ότι: Όταν σχηµατίζονται 2 mol CO 2, εκλύονται 34 Κcal. Όταν σχηµατίζονται x; mol CO 2, εκλύονται 425 Κcal. x = 2,5 mol CO 2 Μr CO2 = Ar C + 2Ar O = 12 + 2 16 = 44 H µάζα του CO 2 που παράχθηκε είναι: m = n Mr = 2,5mol 44g/mol = 11g CO 2 γ. Από τη θερµοχηµική εξίσωση έχουµε ότι: Όταν αντιδρούν 3 mol O 2, εκλύονται 34 Κcal. Όταν αντιδρούν x; mol O 2, εκλύονται 85 Κcal. x =,75 mol O 2 Ο όγκος του O 2 που αντέδρασε, σε συνθήκες S.T.P. είναι: V = n Vm =,75mol 22,4 L/mol = 16,8 L O 2 Κατηγορία Μέθοδος 2 Ασκήσεις όπου κάποιο από τα αντιδρώντα είναι σε περίσσεια: Όταν δίνονται οι αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων θα πρέπει να ελέγχουµε αν κάποιο από αυτά είναι σε περίσσεια. Μετά από αυτό, όλοι οι στοιχειοµετρικοί υπολογισµοί θα γίνονται µε βάση το σώµα που αντιδρά πλήρως και όχι µε αυτό που βρίσκεται σε περίσσεια. Παράδειγµα 2: Αναµιγνύουµε 13,44L SO 2, µετρηµένα σε STP συνθήκες, µε 16g O 2, οπότε πραγµατοποιείται η αντίδραση: 2SO 2(g) + O 2(g) 2SO 3(g), Η = 198ΚJ. Nα υπολογιστούν: α. Η ποσότητα του Ο 2 που αντέδρασε. β. Το ποσό της θερµότητας που ελευθερώθηκε. γ. Ο όγκος του αερίου µίγµατος, σε συνθήκες S.T.P., που συλλέγουµε µετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης. ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: S = 32, O = 16. Λύση: Mr O2 = 2ArO = 2 16 = 32 Μετατρέπουµε σε mol τις ποσότητες των αντιδρώντων σωµάτων: V 13,44L SO : n = n,6mol SO 2 2 V = 22,4L/mol = m m 16g O : n = n = =,5mol O M 32g / mol 2 2 r
59. Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης έχουµε: 2 mol SO 2 αντιδρούν µε 1 mol O 2,6 mol SO 2 αντιδρούν µε x; mol O 2 x =,3 mol O 2 Η ποσότητα του O 2 είναι,5 mol, συνεπώς το SO 2 αντιδρά πλήρως και το O 2 είναι σε περίσσεια. Άρα, οι υπολογισµοί θα γίνουν µα βάση το SO 2. Στη συνέχεια φτιάχνουµε τον παρακάτω πίνακα: (Οι ποσότητες των σωµάτων που αντιδρούν έχουν αρνητικό πρόσηµο, ενώ αυτές που παράγονται θετικό.) α. Από τον παραπάνω πίνακα παρατηρούµε ότι αντιδρούν,3 mol O 2. Άρα m O2 = n O2 Mr O2 =,3mol 32g/mol = 9,6g O 2 β. Το ποσό θερµότητας που εκλύεται θα το υπολογίσουµε µε βάση το σώµα που αντιδρά πλήρως, δηλαδή το SO 2. Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης προκύπτει ότι: Όταν αντιδρούν 2 mol SO 2, εκλύονται 198 ΚJ. Όταν αντιδρούν,6 mol SO 2, εκλύονται x; ΚJ. x = 59,4 KJ Άρα το ποσό θερµότητας που εκλύεται είναι 59,4 ΚJ. γ. Τα αέρια που συλλέγουµε µετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης είναι το Ο 2 που περίσσεψε και το SO 3 που παράχθηκε. Άρα: n µίγµ. = n O2 (τελ.) + n SO3 = (,2 +,6)mol =,8 mol Οπότε: Vµιγµ = nµιγµ Vm Vµιγµ =,8mol 22, 4L / mol V µιγµ = 17,92L.
6. Κατηγορία Μέθοδος 3 Ασκήσεις που αναφέρονται σε αντίδραση µίγµατος: Όταν έχουµε αντίδραση ενός µίγµατος µε κάποια αντιδραστήρια Α, Β,..., εργαζόµαστε ώς εξής: Γράφουµε τη χηµική εξίσωση για την αντίδραση κάθε συστατικού του µίγµατος ξεχωριστά. Αν δεν γνωρίζουµε τη σύσταση του µίγµατος, τότε θέτουµε x, ψ,..., τα mol των συστατικών του µίγµατος και εργαζόµαστε µε τη βοήθειά τους. Όταν δίνεται η µάζα του µίγµατος (m µιγµ. ), τότε ισχύει: m µιγµ. = m A + m B +... m µιγµ. = xmr A + ψmr B +... Όταν δίνεται o όγκος αερίου µίγµατος σε S.T.P. (V µιγµ. ), τότε ισχύει: V µιγµ. = V A + V B +... V µιγµ. = 22,4(x + ψ +...) Όταν δίνεται o όγκος (V µιγµ. ), η πίεση (P) και η θερµοκρασία (Τ) αερίου µίγµατος, εφαρµόζουµε τη καταστατική εξίσωση των αερίων: PV µιγµ. = n µιγµ. RT. PV µιγµ. = (x + ψ +...)RT Με βάση τα παραπάνω δηµιουργούµε σύστηµα εξισώσεων από το οποίο υπολογίζουµε τα x, ψ,... Όταν το µίγµα είναι ισοµοριακό, τα mol των συστατικών του είναι ίσα. Σε ασκήσεις όπου τα συστατικά του µίγµατος αντιδρούν µεταξύ τους και αναφέρεται ότι έχουµε στοιχειοµετρική αναλογία, η αναλογία των συντελεστών είναι και αναλογία mol. Παράδειγµα 3: Κατά την πλήρη καύση 12,8g αερίου µίγµατος CO και H 2, ελευθερώθηκε θερµότητα ίση µε 342KJ. Αν η ενθαλπίες καύσης του CO και του H 2 είναι -283 KJ/mol και -286KJ/mol, αντίστοιχα να υπολογιστούν: α. Η επί τοις εκατό % w/w σύσταση του µίγµατος που κάηκε. β. Ο όγκος του αερίου µίγµατος σε συνθήκες S.T.P. γ. Ο όγκος του O 2 µετρηµένος σε S.T.P. που καταναλώθηκε κατά την καύση. Όλα τα ποσά θερµότητας υπολογίσθηκαν στις ίδιες συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, O = 16, H = 1. Λύση: Έστω ότι το µίγµα αποτελείται από x mol CΟ και ψ mol H 2. Mr CO = Ar C + Ar O = 12 + 16 = 28 Mr H2 = 2Ar H = 2 1 = 2 Η µάζα του µίγµατος θα είναι ίση µε το άθροισµα των µαζών των συστατικών: m CO + m H2 = m µιγµ. n CO Mr CO + n H2 Mr H2 = m µιγµ. 28x + 2ψ = 12,8 (1) Οι θερµοχηµικές εξισώσεις για τις καύσεις των συστατικών του µίγµατος είναι:
61. CO (g) + 1/2 O 2(g) CO 2(g), Η 1 = -283 KJ και Η 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l), Η 2 = -286 KJ Από τη στοιχειοµετρία της πρώτης αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol CO, εκλύονται 283 ΚJ. Όταν αντιδρούν x mol CO, εκλύονται Q 1 ΚJ. Q 1 = 283x KJ Από τη στοιχειοµετρία της δεύτερης αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol Η 2, εκλύονται 286 ΚJ. Όταν αντιδρούν ψ mol Η 2, εκλύονται Q 2 ΚJ. Q 2 = 286ψ KJ Η συνολική θερµότητα που ελευθερώθηκε είναι Q = 342 KJ. Άρα: Q 1 + Q 2 = Q 283x + 286ψ = 342 (2) Από την επίλυση των εξισώσεων (1) και (2) έχουµε: x =,4 mol και ψ =,8 mol Άρα το µίγµα αποτελείται από,4 mol CO και,8 mol H 2. α. m CO = n CO Mr CO =,4 mol 28 g/mol = 11,2 g m H2 = n H2 Mr H2 =,8 mol 2 g/mol = 1,6 g Άρα η κατά βάρος σύσταση του µίγµατος είναι 11,2 g CO και 1,6 g H 2. Σε 12,8 g µίγµατος, περιέχονται 11,2 g CO και 1,6 g H 2. Σε 1 g µίγµατος, περιέχονται α; g CO και β; g H 2. α = 87,5 g CO και β = 12,5 g H 2 Άρα, η επί τοις εκατό % w/w σύσταση του µίγµατος είναι: 87,5% w/w CO και 12,5% w/w H 2. β. Τα συνολικά mol του µίγµατος είναι: n µιγµ. = n CO + n H2 =,4 mol +,8 mol = 1,2 mol Για τον όγκο του µίγµατος σε S.T.P. ισχύει: V µιγµ. = n µιγµ. V m = 1,2 mol 22,4 L/mol V µιγµ. = 26,88 L γ. Θα υπολογίσουµε τα mol του O 2 που καταναλώθηκε για την καύση του κάθε συστατικού του µίγµατος ξεχωριστά. Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης καύσης του CΟ έχουµε: 1 mol CO αντιδρά µε,5 mol O 2,4 mol CO αντιδρούν µε z; mol O 2 z =,2 mol O 2 Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης καύσης του H 2 έχουµε: 1 mol H 2 αντιδρά µε,5 mol O 2,8 mol H 2 αντιδρούν µε ω; mol O 2 ω =,4 mol O 2 Άρα, τα συνολικά mol Ο 2 που καταναλώθηκαν είναι: n O2 = z + ω =,2 mol +,4 mol =,6 mol Ο όγκος του Ο 2 σε S.T.P. είναι: V Ο2 = n Ο2 V Ο2 =,6 mol 22,4 L/mol V Ο2 = 13,44 L
62. Κατηγορία Μέθοδος 4 Ασκήσεις στις οποίες δεν παρατηρείται θερµική µεταβολή : Όταν σ' ένα δοχείο πραγµατοποιούνται ταυτόχρονα δύο αντιδράσεις, µια εξώθερµη και µία ενδόθερµη, και η άσκηση αναφέρει ότι "δεν παρατηρείται θερµική µεταβολή", συµπεραίνου- µε ότι το ποσό θερµότητας που εκλύεται απο τη µία απορροφάται πλήρως απο την άλλη. ηλαδή ισχύουν: Q 1 = Q 2 (κατ απόλυτη τιµή) ή Q 1 + Q 2 = (κατ αλγεβρική τιµή). Παράδειγµα 4: Σε ορισµένη θερµοκρασία θ ο C ο στερεός άνθρακας αντιδρά µε οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα, σύµφωνα µε τις παρακάτω αντιδράσεις: 2C (s) + O 2(g) 2CO (g), Η 1 = -57 Kcal και C (s) + CO 2(g) 2CO (g), Η 2 = +28,5 Kcal Ποια αναλογία mol πρέπει να έχει µίγµα οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα, ώστε αν αυτό αντιδράσει µε περίσσεια άνθρακα σε θερµοκρασία θ, να µην παρατηρηθεί καµία θερµική µεταβολή; Λύση: Έστω ότι το µίγµα αποτελείται από x mol Ο 2 και ψ mol CO 2. Θα υπολογίσουµε σε συνάρτηση µε τα x, ψ, τα ποσά θερµότητας που εκλύονται στη πρώτη αντίδραση (Q 1 ) και απορροφούνται στη δεύτερη (Q 2 ). Από τη στοιχειοµετρία της πρώτης αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol O 2, εκλύονται 57 Κcal. Όταν αντιδρούν x mol O 2, εκλύονται Q 1 Κcal. Q 1 = 57x Kcal Από τη στοιχειοµετρία της δεύτερης αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol CO 2, απορροφούνται 28,5 Κcal. Όταν αντιδρούν ψ mol CO 2, απορροφούνται Q 2 Κcal. Q 2 = 28,5ψ Kcal Για να µην παρατηρηθεί θερµική µεταβολή πρέπει το ποσό θερµότητας που εκλύεται στη πρώτη αντίδραση, να απορροφάται πλήρως από τη δεύτερη. ηλαδή: x 28,5 Q = Q 57xKcal= 28,5ψ Kcal = x = 1 1 2 ψ 57 ψ 2 Άρα η αναλογία mol του µίγµατος είναι 1/2.
63. Γ. ΛΥΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Από τη µελέτη της θερµοχηµικής εξίσωσης 2Η 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (l) Η = -138Kcal (18 o C) προκύπτει ότι η ενθαλπία καύσης του Η 2 είναι: α. -138 Κcal/mol β. -69 Κcal/mol γ. -69 Κcal/g δ. -138 Κcal (Εξετάσεις 1999) Λύση Η ενθαλπία καύσης του Η 2 είναι η µεταβολή της ενθαλπίας κατά την καύση 1 mol Η 2. Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης έχουµε: Κατά την καύση 2 mol Η 2 η µεταβολή της ενθαλπίας είναι -138 Κcal. Κατά την καύση 1 mol Η 2 η µεταβολή της ενθαλπίας είναι x; Κcal. x = -69 Kcal Άρα, η ενθαλπία καύσης του Η 2 είναι -69Kcal/mol (απάντηση β.). (Στις εξετάσεις του 1999 το ζητούµενο ήταν η θερµότητα καύσης. Αυτό γιατί το σχολικό βιβλίο που διδασκόταν το 1999 ήταν διαφορετικό από το σηµερινό.) 2. ίνεται η θερµοχηµική εξίσωση σχηµατισµού του νερού σε αέρια κατάσταση: Η 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (g), Η f = -242 KJ. Για το σχηµατισµό του νερού σε υγρή κατάσταση σύµφωνα µε την θερµοµηχανική εξίσωση: Η 2(g) + 1/2 O 2(g) H 2 O (l), η Η f µπορεί να είναι: α. +242 KJ/mol β. -286 KJ/mol γ. -198 KJ/mol δ. +198 KJ/mol (Εξετάσεις 21) Λύση: Γνωρίζουµε ότι η µεταβολή της ενθαλπίας σε µία αντίδραση εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση των σωµάτων που µετέχουν σε αυτή. Πιο συγκεκριµµένα το H 2 O (g) έχει µεγαλύτερη ενθαλπία από το H 2 O (l), επειδή τα µόρια του H 2 O σε αέρια κατάσταση έχουν µεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από ότι στην υγρή. Συνεπώς, η µεταβολή της ενθαλπίας θα είναι κατά απόλυτη τιµή µεγαλύτερη για τον σχηµατισµό νερού σε υγρή κατάσταση. Άρα η σωστή απάντηση είναι η -286 ΚJ/mol (απάντηση β.). Τα παραπάνω, µπορούµε να τα δείξουµε και µε το διπλανό ενεργειακό διάγραµµα για τις δύο αντιδράσεις. Θα µπορούσαµε επίσης να πούµε ότι κατά την υγροποίηση του νερού (H 2 O (g) H 2 O (l) ), το σύστηµα εκλύει θερµότητα στο περιβάλλον, µε αποτέλεσµα στο σχηµατισµό νερού σε υγρή κατάσταση να έχουµε µεγαλύτερη έκλυση θερµότητας στο περιβάλλον, άρα και µεγαλύτερη µεταβολλή της ενθαλπίας κατά απόλυτη τιµή. (Στις εξετάσεις του 21 δεν ήταν απαραίτητη η αιτιολόγηση.)
64. 3. Κατά την καύση 9,2 g HCOOH µε περίσσεια οξυγόνου, ελευθερώνεται θερµότητα ίση µε 15,2 Kcal. Να γράψετε τη θερµοχηµική εξίσωση της καύσης 1 mol HCOOH. ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: Η = 1, C = 12, O = 16. Λύση: Θα πρέπει να υπολογίσουµε την θερµότητα που εκλύεται κατά την καύση 1mol HCOOH. Mr HCOOH = 2Ar H + Ar C + 2Ar O = 2 1 + 12 + 2 16 = 46 m 9,2 Τα mol του ΗCOOH που αντέδρασαν είναι: n = = =,2 mol. Mr 46 Όταν αντιδρούν,2 mol ΗCOOH, εκλύονται 15,2 Κcal. Όταν αντιδρά 1 mol ΗCOOH, εκλύονται Q; Κcal. Q = 76 Kcal Όµως, η µεταβολή της ενθαλπίας είναι ίση κατά απόλυτη τιµή µε τη θερµότητα που εκλύεται και επειδή οι καυσείς είναι εξώθερµες αντιδράσεις, η µεταβολή της ενθαλπίας κατά την καύση 1 mol HCOOH είναι Η = -76 Κcal. Άρα, η θερµοχηµική εξίσωση είναι: ΗCOOH + 1/2 O 2 CO 2 + H 2 O, Η = -76 Kcal. 4. Ορισµένη ποσότητα θείου µε περιεκτικότητα σε ξένες προσµίξεις 2% w/w, καίγεται µε οξυγόνο και ελευθερώνονται 285,2 Κcal θερµότητας σε θερµοκρασία 25 ο C. Να υπολογίσετε: α. Την ποσότητα του ακάθαρτου θείου που κάηκε. β. Τον όγκο του οξυγόνου σε συνθήκες S.T.P. που καταναλώθηκε. ίνονται: Oι σχετικές ατοµικές µάζες S = 32, O = 16, οι προσµίξεις δεν καίγονται και η ενθαλπία σχηµατισµού του SO 2 στους 25 o C είναι -71,3 Κcal/mol. Λύση: Η θερµοχηµική εξίσωση της αντίδρασης είναι: S (s) + O 2(g) SO 2(g), Η = -71,3 Κcal. α. Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol S, εκλύονται 71,3 Κcal. Όταν αντιδρoύν x; mol S, εκλύονται 285,2 Κcal. x = 4 mol S m S = n S Ar S = 4mol 32g/mol = 128 g S ηλαδή, αντέδρασαν 128 g S. Το ακάθαρτο θείο περιέχει 2 %w/w προσµίξεις, συνεπώς, το καθαρό θείο είναι 8 %w/w. Άρα: Σε 1 g ακάθαρτου θείου περιέχονται 8 g S. Σε ψ; g ακάθαρτου θείου περιέχονται 128 g S. ψ = 16 g ακάθαρτου θείου. ηλαδή, η ποσότητα του ακάθαρτου θείου που κάηκε είναι 16 g.
65. β. Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης έχουµε: 1 mol S αντιδρά µε 1 mol O 2 4 mol S αντιδρούν µε ω; mol O 2 ω = 4 mol O 2 Ο όγκος του οξυγόνου σε συνθήκες S.T.P. είναι: V Ο2 = n Ο2 V Ο2 = 4 mol 22,4 L/mol V Ο2 = 89,6 L 5. Σε µία ορισµένη θερµοκρασία θ o C, στερεός άνθρακας αντιδρά µε Ο 2 και CO 2, σύµφωνα µε τις παρακάτω αντιδράσεις: 2C (s) + O 2(g) 2CO (g), Η 1 = -57 Κcal και C (s) + CO 2(g) 2CO (g), Η 2 = +28,5 Κcal Ισοβαρές µίγµα Ο 2 και CO 2 συνολικής µάζας 264 g διαβιβάζεται σε σωλήνα που περιέχει περίσσεια C σε θερµοκρασία θ o C. α. Ποιο είναι το συνολικό θερµικό αποτέλεσµα των αντιδράσεων; β. Ποιος είναι ο όγκος του αερίου σε συνθήκες STP, που εξέρχεται τελικά από το σωλήνα; ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, O = 16. Όλα τα ποσά θερµότητας µετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. Λύση: Ισοβαρές µίγµα Ο 2 - CO 2 σηµαίνει ότι m O2 = m CO2 Eπειδή m µιγµ. = 164 g, προκύπτει ότι: m O2 = m CO2 = m µιγµ. /2 = 132 g Mr O2 = 2Ar O = 2 16 = 32 Mr CO2 = Ar C + 2Ar O = 12 + 2 16 = 44 m 132g Από τη σχέση n = έχουµε: no Mr 2 = = 4,125mol και n 32g / mol 2C (s) + O 2(g) 2CO (g), Η 1 = -57 Κcal Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol O 2, παράγονται 2 mol CO και εκλύονται 57 Κcal. Όταν αντιδρούν 4,125 mol O 2, παράγονται x; mol CO και εκλύονται Q 1 ; Κcal. x = 8,25 mol CO και Q 1 = 235,125 Kcal C (s) + CO 2(g) 2CO (g), Η 2 = +28,5 Κcal Από τη στοιχειοµετρία της αντίδρασης έχουµε: Όταν αντιδρά 1 mol CO 2, παράγονται 2 mol CO και απορροφούνται 28,5 Κcal. Όταν αντιδρούν 3 mol CO 2, παράγονται ψ; mol CO και απορροφούνται Q 2 ; Κcal. ψ = 6 mol CO και Q 2 = 85,5 Kcal CO 2 132g = = 3mol 44g / mol
66. α. Το θερµικό αποτέλεσµά θα είναι: Q = Q 1 Q 2 = 235,125 Kcal 85,5 Kcal = 149,625 Kcal Άρα εκλύονται 149,625 Kcal θερµότητας. β. Το µοναδικό αέριο που εξέρχεται τελικά από το σωλήνα είναι το CO. Τα συνολικά mol CO που παράγονται και από τις δύο αντιδράσεις είναι: n CO = x + ψ = (8,25 + 6) mol = 14,25 mol O όγκος του CO σε S.T.P. είναι: V CO = n CO V m = 14,25 mol 22,4 L/mol = 319,2 L CO. Άρα, ο όγκος του αερίου που εξέρχεται από το σωλήνα, σε συνθήκες S.T.P. είναι 319,2 L. 6. ίνονται οι πρότυπες ενθαλπίες σχηµατισµού των: C 2 H 6(g) = 4 KJ/mol, CO 2(g) = -394 KJ/ mol, H 2 O (l) = -286 KJ/mol. Να υπολογιστούν: α. Η πρότυπη ενθαλπία καύσης του C 2 H 6(g). β. Το ποσό θερµότητας που θα ελευθερωθεί κατά την καύση 3 g C 2 H 6(g) σε πρότυπη κατάσταση. ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, H = 1. Λύση: α. Η θερµοχηµική εξίσωση της καύσης του C 2 H 6(g) είναι: C 2 H 6(g) + 7/2 Ο 2(g) 2CO 2(g) + 3H 2 O (l), Η = ; c Η πρότυπη ενθαλπία ( Η ) µίας αντίδρασης µπορεί να υπολογιστεί από τις πρότυπες ενθαλπίες σχηµατισµού των ενώσεων που παίρνουν µέρος στην αντίδραση: Η = Σ Η - Σ Η f( προιοντων) f( αντιδρωντων) ηλαδή, για την παραπάνω θερµοχηµική εξίσωση ισχύει: Η = 2 c Όµως, Η 7 Η + 3 Η f(co 2(g) ) f(h2 O (l)) - 1 Ηf(C2H 6(g) )- 2 Η f(o 2(g) ) f(o 2(g) ) = (πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού στοιχείου στη σταθερότερη µορφή του). Άρα: Η = 2 (-394 ΚJ/mol) + 3 (-286 ΚJ/mol ) - 1 4 ΚJ/mol Η = -165 KJ/mol. c c Εποµένως, η πρότυπη ενθαλπία κάυσης του C 2 H 6(g) είναι -165 ΚJ/mol. β. Mr C2 Η 6 = 2Ar C + 6Ar Η = 2 12 + 6 1 = 3 m 3g Τα mol του C 2 H 6 που κάηκαν είναι: n =,1mol Mr = 3g / mol = Η πρότυπη ενθαλπία κάυσης του C 2 H 6(g) είναι -165 ΚJ/mol, άρα: Όταν αντιδρά 1 mol C 2 H 6, εκλύονται 165 ΚJ. Όταν αντιδρoύν,1 mol C 2 H 6, εκλύονται x; ΚJ. x = 165 KJ Άρα, το ποσό θερµότητας που ελευθερώνεται είναι 165 KJ.
67.. ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ Ερωτήσεις Σύντοµης απάντησης: 1. Ποιες χηµικές αντιδράσεις χαρακτηρίζονται ενδόθερµες και ποιες εξώθερµες; ώστε από ένα παράδειγµα. 2. Από ποιούς παράγοντες εξαρτάται η µεταβολή της ενθαλπίας µιας αντίδρασης; 3. Τι είναι η πρότυπη κατάσταση; 4.α. Τι ονοµάζεται πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού Η ; f β. Ποια σχέση συνδέει τις πρότυπες ενθαλπίες σχηµατισµού των ενώσεων που µετέχουν σε µια αντίδραση µε την πρότυπη ενθαλπία της αντίδρασης; 5.α. Τι ονοµάζεται πρότυπη ενθαλπία καύσης Η ; c β. Γιατί η πρότυπη ενθαλπία καύσης είναι πάντα µικρότερη του µηδενός; 6. Τι είναι η πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης; Συµπλήρωσης κενών: 1. Οι αντιδράσεις που... ενέργεια µε µορφή... στο περιβάλλον ονοµάζονται.... Στις αντιδράσεις αυτές η ενθαλπία των αντιδρώντων είναι... από την ενθαλπία των... 2. Οι αντιδράσεις που... ενέργεια µε µορφή... από το περιβάλλον ονοµάζονται... Στις αντιδράσεις αυτές η ενθαλπία των... είναι... από την ενθαλπία των προϊόντων. 3. Η θερµοχηµική εξίσωση C(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (l), Η = -89 KJ/mol. Μας πληροφορεί ότι για κάθε... C που καίγεται... στο περιβάλλον... ΚJ... 4. Πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού µιας ένωσης είναι η µεταβολή της... κατά το σχηµατισµό... της ένωσης από τα συστατικά της... σε... κατάσταση. 5. Η πρότυπη ενθαλπία καύσης είναι πάντα... από το µηδέν γιατί κατά την καύση έχουµε πάντα... θερµότητας δηλαδή όλες οι καύσεις είναι... αντιδράσεις. 6. Πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης είναι η µεταβολή της... κατά την πλήρη... 1 mol... ενός οξέος µε µια βάση σε πρότυπη κατάσταση και σε... υδατικό διάλυµα.
68. Σωστό - Λάθος: Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές (Σ) και ποιες λάθος (Λ); 1. Στις εξώθερµες αντιδράσεις έχουµε απορρόφηση θερµότητας από το περιβάλλον. ( ) 2. Οι εξώθερµες αντιδράσεις έχουν Η >. ( ) 3. Η αντιδράση που περιγράφει η θερµοχηµική εξίσωση: N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g), H < O, είναι ενδόθερµη. ( ) 4. Σε όλες τις χηµικές αντιδράσεις η ενθαλπία του συστήµατος παραµένει σταθερή. ( ) 5. Πρότυπη είναι η κατάσταση µε Τ = 373Κ και Ρ = 1atm. ( ) 6. Το σύµβολο της πρότυπης ενθαλπίας σχηµατισµού είναι Η. ( ) c 7. Η πρότυπη ενθαλπία καύσης έχει πάντα αρνητική τιµή. ( ) 8. Κατά την εξουδετέρωση ισχυρού οξέος µε ισχυρή βάση η τιµή της Η n είναι περίπου σταθερή ανεξάρτητα από το οξύ ή τη βάση. ( ) 9. Όσο µικρότερη αλγεβρικά είναι η πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού µιας ένωσης τόσο πιο σταθερή είναι η ένωση σε σχέση µε τα στοιχεία της. ( ) 1. Η πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού των στοιχείων στην σταθερότερη µορφή τους είναι µικρότερη από το µηδέν. ( ) 11. Αν η πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος από ισχυρή βάση είναι -57,1ΚJ, η Η ασθενού οξέος από ισχυρή βάση µπορεί να είναι -65ΚJ. ( ) n 12. Από την θερµοχηµική εξίσωση: A + 2B 3Γ, Η = 12ΚJ, συµπεραίνουµε ότι: α. Η αντίδραση είναι ενδόθερµη. ( ) β. Τα προϊόντα έχουν µικρότερη ενθαλπία από τα αντιδρώντα. ( ) γ. Αν αντιδράσουν 1 mol Α µε 2 mol Β το σύστηµα απορροφά από το περιβάλλον 12KJ ενέργειας. ( ) Πολλαπλής επιλογής: 1. Η µεταβολή της ενθαλπίας µίας αντίδρασης είναι ίση µε: α. Η προϊόντων + Η αντιδρώντων β. Η προϊόντων Η αντιδρώντων Hαντιδρώντων γ. Η αντιδρώντων Η προϊόντων δ. Η προϊόντων 2. Στις ενδόθερµες αντιδράσεις: α. Η <, q < β. Η >, q < γ. Η >, q > δ. Η <, q > 3. Στις εξώθερµες αντιδράσεις: α. Η <, q < β. Η >, q < γ. Η >, q > δ. Η <, q >
69. 4. H ενθαλπία των αντιδρώντων είναι µικρότερη από αυτή των προϊόντων όταν: α. η αντίδραση είναι εξώθερµη β. η αντίδραση είναι ενδόθερµη γ. στις αντιδράσεις καύσης δ. σε όλες τις αντιδράσεις 5. Η µεταβολή της ενθαλπίας µίας αντίδρασης εξαρτάται: α. µόνο από τη φύση των αντιδρώντων β. µόνο από τη φυσική κατάσταση αντιδρώντων και προϊόντων γ. µόνο από τις συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης δ. από όλα τα παραπάνω 6. Πρότυπη ενθαλπία είναι η µεταβολή της ενθαλπίας µίας αντίδρασης: α. σε συνθήκες S.T.P. β. σε πίεση 1 atm και θερµοκρασία 25 o C γ. σε πίεση 1 atm και θερµοκρασία 2 o C δ. όταν τα αντιδρώντα και τα προϊόντα είναι σε αέρια κατάσταση 7. Για τις αντιδράσεις καύσης ισχύει: α. Η <, q < β. Η >, q < γ. Η >, q > δ. Η <, q > 8. Αν κατά την εξουδετέρωση 1 mol ισχυρού µονοπρωτικού οξέος µε 1 mol ισχυρής µονοϋδροξυλικής βάσης, σε πρότυπες συνθήκες, εκλύονται 57,1 KJ θερµότητας, κατά την εξουδετέρωση 1 mol ασθενούς µονοπρωτικού οξέος µε 1 mol ισχυρής µονοϋδροξυλικής βάσης, στις ίδιες συνθήκες: α. εκλύονται 57,1 KJ θερµότητας β. εκλύονται λιγότερα από 57,1 KJ θερµότητας γ. εκλύονται περισσότερα από 57,1 KJ θερµότητας δ. απορροφούνται 57,1 KJ θερµότητας 9. Η πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού του N 2(g) : α. είναι µηδέν β. είναι θετική γ. είναι αρνητική δ. είναι διαφορη του µηδενός 1. Η θερµοχηµική εξίσωση της καύσης του C 2 είναι: C 2 (g) + 3Ο 2(g) 2CO 2(g) + 2Η 2 Ο (l), Η = -331,6 Κcal, Άρα: α. κατά τη καύση 1 g C 2 εκλύονται 331,6 Κcal β. κατά τη καύση 1 mol C 2 απορροφούνται 331,6 Κcal γ.κατά τη καύση 28 g C 2 εκλύονται 331,6 Κcal δ. κατά τη καύση 6 g C 2 απορροφούνται 331,6 Κcal ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, H = 1. 11. Η ενθαλπία σχηµατισµού της αµµωνίας (ΝΗ 3 ) υπολογίζεται από τη µεταβολή της ενθαλπίας στην αντιδραση που περιγράφεται µε τη χηµική εξίσωση: α. 1/2 Ν 2 + 3/2 Η 2 ΝΗ 3 β. Ν 2 + 3Η 2 2ΝΗ 3 γ. Ν + 3Η ΝΗ 3 δ. ΝΗ 4 ΟΗ ΝΗ 3 + Η 2 Ο
7. Αντιστοίχισης: 1. Αντιστοιχίστε τις θερµοχηµικές εξισώσεις της στήλης Α µε µία από τις ενθαλπίες της στήλης Β. Στήλη Α Στήλη Β 1. C 2 (g) + 3Ο 2(g) 2CO 2(g) + 2Η 2 Ο (l), Η 1 2. C (s) + Ο 2(g) CO 2(g), Η 2 3. HΝΟ 3(αq) + ΚΟΗ (αq) ΚΝO 3(αq) + Η 2 Ο (l), Η 3 4. C 2 (g) + H 2(g) C 2 H 6(g), Η 4 α. ενθαλπία αντίδρασης β. ενθαλπία σχηµατισµού γ. ενθαλπία καύσης δ. ενθαλπία εξουδετέρωσης 2. Η πρότυπη ενθαλπία καύσης του C 3 H 8(g) είναι -222 ΚJ/mol. Να αντιστοιχίσετε τις ποσότητες του C 3 H 8(g) µε το ποσό θερµότητας που ελευθερώνεται κατά την καύση τους σε πρότυπες συνθήκες. Στήλη Α 1. 22 g C 3 H 8(g) 2.,2 mol C 3 H 8(g) 3. 28 L C 3 H 8(g) (S.T.P.) 4.,8 mol C 3 H 8(g) Στήλη Β α. 2775 KJ β. 444 KJ γ. 111 KJ δ. 1776 KJ 3. Η πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού του CO 2(g) είναι -394 KJ/mol, ενώ του CO (g) είναι -283 ΚJ/mol. Να αντιστοιχίσετε τις θερµοχηµικές εξισώσεις της στήλης Α µε τις τιµές µεταβολής της ενθαλπίας της στήλης Β. Στήλη Α 1. 2C (s) + 2Ο 2(g) 2CO 2(g), Η 1 2. C (s) + 1/2 Ο 2(g) CO (g), Η 2 3. 3C (s) + 3/2 Ο 2(g) 3CO (g), Η 3 4. 2CΟ (g) + Ο 2(g) 2CO 2(g), Η 4 Στήλη Β α. -849 ΚJ β. -222 ΚJ γ. -788 ΚJ δ. -283 ΚJ 4. Να αντιστοιχίσετε τις θερµοχηµικές εξισώσεις της στήλης Α, µε τις µεταβολές της ενθαλπίας στη στήλη Β. Και οι τρείς αντιδράσεις πραγµατοποιούνται στις ίδιες συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Στήλη Α 1. H 2(g) + 1/2 Ο 2(g) Η 2 Ο (g), Η 1 2. H 2(g) + 1/2 Ο 2(g) Η 2 Ο (l), Η 2 3. 2H 2(g) + Ο 2(g) 2Η 2 Ο (l), Η 3 Στήλη Β α. -258,8 β. -241,8 γ. -517,6
71. Ασκήσεις - Προβλήµατα 1. Οι πρότυπες ενθαλπίες σχηµατισµού των ΝaHCO 3(S), Na 2 CO 3(s), CO 2(g) και H 2 O (l) είναι: -231,8 Κcal/mol, -27,3 Κcal/mol, -94 Κcal/mol και -68,4 Κcal/mol αντίστοιχα. Να υπολογιστεί η Η της αντίδρασης: 2ΝaHCO 3(S) Na 2 CO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l). (Απ: 3,9 Κcal ) 2. Στους 25 ο C η ενθαλπία καύσης του αιθανίου (C 2 H 6 ) είναι -375 kcal/mol και του προπανίου (C 3 H 8 ) είναι -53 Κcal/mol. Όταν καούν πλήρως µε οξυγόνο 2,8 g µίγµατος αιθανίου και προπανίου, εκλύονται 256Κcal (στους 25 C). Nα βρεθεί η κατά βάρος σύσταση του µίγµατος. ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, H = 1. (Απ: 12 g C 2 H 6-8,8 g C 3 H 8 ) 3. Κατά την πλήρη καύση 6,72 L (σε S.T.P.) µίγµατος αιθανίου (C 2 H 6 ) και ακετυλενίου (C 2 H 2 ), ελευθερώνεται θερµότητα 98 Kcal. Να βρεθεί η %v/v σύσταση του αρχικού µίγµατος. ίνονται οι ενθαλπίες καύσης: C 2 H 6 : -38 Kcal/mol, C 2 H 2 : -3 Kcal/mol. Όλα τα ποσά θερµότητας µετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. (Απ: 33,33 %v/v C 2 H 6, 66,66 %v/v C 2 H 2 ) 4. Να βρεθεί το ποσό της θερµότητας που ελευθερώνεται κατά την εξουδετέρωση: α. 1 ml δ/τος KOH 1M µε 1 ml δ/τος HCl 2Μ. β. 1 ml δ/τος Ca(OH) 2 1M µε 1 ml δ/τος HNΟ 3 2 M. γ. 1 ml δ/τος ΝaOH,3Μ µε 1 ml δ/τος Η 2 SO 4,2 Μ. ίνεται Η n = - 13,8 Kcal/mol Όλα τα ποσά θερµότητας µετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. (Απ: α. 1,38 Kcal, β. 2,76 Kcal, γ.,414 Kcal) 5. Αν κατά την καύση 1 mol C (s) και 1 mol H 2(g) εκλύονται αντίστοιχα 94 Kcal και 68 Kcal, ποιο από τα δύο είναι οικονοµικότερο καύσιµο, αν έχουν την ίδια χρηµατική αξία ανά γραµµάριο; ίνονται οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, H = 1. (Απ. H 2 ) 6. Αν διαθέτουµε 12 g άνθρακα, πόσα από αυτά πρέπει να καούν πλήρως µε Ο 2, ώστε µε τη θερµότητα που θα παραχθεί να µετατραπεί η υπόλοιπη ποσότητα C σε ένα µίγµα CO, CO 2 και H 2 σύµφωνα µε τις αντιδράσεις:
72. C( ) + 2H2O( ) CO S g 2g ( ) + 2H 2g ( ), Η 1 =+ 2ΚCal C + H O CO + H, Η =+ 3ΚCal ( S) 2 ( g) ( g) 2( g) 2 και στα προϊόντα των δύο παραπάνω αντιδράσεων µετά την ψύξη, ο όγκος του CΟ 2 να αποτελεί το 2% του συνολικού αερίου όγκου. ίνονται: η ενθαλπία καύσης του C (s) = - 1 Kcal/mol, Ar C = 12. Όλες οι µεταβολές ενθαλπίας αναφέρονται στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. (Απ: 24 g) 7. 5,6 g ενός αλκενίου (C ν Η 2ν ) καίγονται πλήρως µε οξυγόνο και ελευθερώνουν 67,4 ΚCal. Ποιος είναι ο µοριακός τύπος του αλκενίου; ίνονται: η ενθαλπία πλήρους καύσης του αλκενίου: -337 KCal/mol, Ar c = 12, Ar H = 1. (Απ. C 2 Η 4 ) 8. Στους 2 ο C αντιδρούν x γραµµάρια Η 2 µε Ο 2 και σχηµατίζουν υδρατµούς, ενώ στο περιβάλλον ελευθερώνεται ποσό θερµότητας 14,45 ΚCal. Να υπολογίσετε: α. Τα x γραµµάρια Η 2 που αντέδρασαν. β. Τον όγκο Ο 2 σε STP συνθήκες, που καταναλώθηκε. ίνονται: Στους 2 ο C Η f( H2O( g) ) = 57,8KCal / mol, Ar H = 1 (Απ. α.,5 g, β. 2,8 L) 9. 44,8L αερίου µίγµατος, µετρηµένα σε STP συνθήκες, µε την ακόλουθη σύσταση 5 %v/v Ν 2, 4 %v/v Η 2, 1 %v/v C 2 H 6, καίγονται πλήρως και ελευθερώνουν 349,6ΚJ. Nα υπολογισθούν: α. Η ενθαλπία καύσης του αιθανίου (C 2 H 6 ). β. Ο όγκος του Ο 2 σε STP συνθήκες, που καταναλώθηκε κατά την καύση του µίγµατος. ίνεται: η ενθαλπία καύσης του υδρογόνου - 242 KJ/mol. Όλα τα ποσά θερµότητας µετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. (Απ: α. -78 ΚJ/mol, β. 24,64L) 1. 18,48 L µίγµατος αιθανίου (C 2 H 6 ) και αιθυλενίου (C 2 ) καίγονται και ελευθερώνεται θερµότητα 295,5 Κcal. Αν το µίγµα βρίσκεται σε συνθήκες S.T.P. να βρείτε την επι τοις εκατό κατα βάρος σύστασή του. ίνονται: οι ενθαλπίες καύσης των: C 2 H 6 = - 375 Kcal/mol, C 2 = - 338 Kcal/mol, Ar C = 12, Ar C = 1. Όλα τα ποσά θερµότητας µετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. (Απ: 56,25% C 2 H 6, 43,75% C 2 )
73. 11. Υδρατµοί διαβιβάζονται πάνω από περίσσεια ερυθροπυρωµένου άνθρακα και παράγονται CO, CO 2 και H 2, σύµφωνα µε τις θερµοχηµικές εξισώσεις: C( ) + 2H2O( ) CO S g 2g ( ) + 2H 2g ( ), Η 1 =+ 19ΚCal C + H O CO + H, Η =+ 29ΚCal ( S) 2 ( g) ( g) 2( g) 2 Πόση θερµότητα θα απορροφηθεί για να παρασκευαστούν 1 L αερίου µίγµατος σε STP µε περιεκτικότητα 4,2 %v/v σε CO 2 ; (Απ: 61,1 Kcal) 12. Μείγµα που περιέχει 4 g C(g) και 24g O 2(g) θερµοκρασίας 25 o C αναφλέγεται και τα προϊόντα ψύχονται ξανά στους 25 ο C. Nα υπολογιστούν: α. το ποσό θερµότητας που ελευθερώνεται κατά την καύση. β. Η κατά βάρος και η επί τοις εκατό κατά όγκο σύσταση των καυσαερίων στους 25 o C. ίνονται: Οι πρότυπες ενθαλπίες σχηµατισµού: CΗ 4(g) = -76 KJ/mol, CO 2(g) = -394 KJ/mol, H 2 O (l) = -286 KJ/mol και οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, H = 1, O = 16. (Απ: α. 222,5 KJ, β. 8 g Ο 2, 11 g CO 2, 5% v/v Ο 2, 5% v/v CO 2 ) 13. Κατά τη καύση 6 g C και 2 g C ελευθερώθηκαν αντίστοιχα 47 Κcal και 262,5 Kcal θερµότητας. Να υπολογίσετε: α. τις πρότυπες ενθαλπίες καύσης του άνθρακα και µεθανίου β. Ποιος όγκος υδρογόνου, µετρηµένος σε συνθήκες S.T.P. πρέπει να καεί σε πρότυπες συνθήκες ώστε η θερµότητα που θα ελευθερωθεί να είναι ίση µε αυτή που ελευθερώνεται κατά τη καύση µίγµατος 18 g C και 24 g C σε πρότυπες συνθήκες; ίνονται: Η πρότυπη ενθαλπία καύσης του υδρογόνου: -69 Kcal/mol και οι σχετικές ατοµικές µάζες: C = 12, H = 1, O = 16. (Απ: α. -94 Kcal/mol, -21 Kcal/mol, β. 147,3 L)
74. Ε. ΤΟ ΞΕΧΩΡΙΣΤΟ ΘΕΜΑ Αέριο ισοµοριακό µίγµα Η 2 και Cl 2 έχει πίεση 2atm. Το µίγµα αντιδρά σε κατάλληλες συνθήκες, οπότε εκλύονται 8,8Kcal. Το αέριο που παράγεται διαβιβάζεται σε 1L διαλύµατος ΚΟΗ,4Μ, οπότε εκλύονται 5,44Kcal. Να βρεθούν: α. Οι µερικές πιέσεις των συστατικών του αρχικού µίγµατος. β. Η µάζα του αρχικού µίγµατος. γ. Η ενθαλπία εξουδετέρωσης του HCl από το ΚΟΗ. ίνονται: H ενθαλπία σχηµατισµού του HCl = -22 Kcal/mol και οι σχετικές ατοµικές µάζες: Η = 1, Cl = 35,5. Όλα τα ποσά θερµότητας µετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. (Aπ: α. 1 atm, 1 atm β. 14,6 g γ. -13,6 Κcal/mol)