Przykładowe zadania z rozwiązaniami Termochemia – entalpia standardowa: tworzenia, reakcji i spalania, entalpia swobodna Przykładowe zadania z rozwiązaniami

Zadanie 1 z rozwiązaniem Informacja do zdania: wartości energii wybranych wiązań kowalencyjnych: Wiązanie Energia [kJ/mol] H – H 436 H – N 390 O = O 499 H – O 465 N ≡ N 947 N = O 631 Na podstawie energii wiązań oblicz entalpię reakcji przebiegającej w fazie gazowej: a) 2 H2 + O2  2 H2O b) 3 H2 + N2  2 NH3 c) N2 + O2  2 NO

Zadanie 1 z rozwiązaniem / cd Analiza i założenia do zadania: ∆H0 = Σn∆H0ws - Σn∆H0wp gdzie: n – liczba moli wiązań ∆H0ws i ∆H0wp – energia mola wiązań: ws – substratów, wp – produktów obliczenie entalpii reakcji: a) 2 H2 + O2  2 H2O ∆H0 = 2mol ∙ 436kJ/mol + 1mol ∙ 499kJ/mol – 4mol ∙ 465kJ/mol = 1371 kJ/mol – 1860kJ/mol = - 489 kJ/mol, b) 3 H2 + N2  2 NH3 ∆H0 = 3mol ∙ 436kJ/mol + 1mol ∙ 947kJ/mol – 6mol ∙ 390kJ/mol = 2255 kJ/mol – 2340kJ/mol = - 85 kJ/mol , c) N2 + O2  2 NO ∆H0 = 1mol ∙ 947kJ/mol + 1mol ∙ 499kJ/mol – 2mol ∙ 631kJ/mol = 1446kJ/mol – 1262kJ/mol = 184 kJ/mol.

Zadanie 2 z rozwiązaniem Oblicz entalpię reakcji rozkładu kwasu metanowego prowadzącego do tlenku węgla(II) i wody: HCOOH  CO(g) + H2O(c) korzystając z danych: ∆H0 Równanie reakcji 409 kJ C(s) + H2(s) ↔ HCOOH - 409 kJ - 572 kJ 2 H2O(c) ↔ 2 H2(g) + O2(g) 572 kJ 220 kJ 2 C(s) + O2(g) ↔ 2 CO(g) - 220 kJ Analiza i założenia do zadania: ∆H0 = Σn∆H0twp - Σn∆H0tws obliczenie entalpii rozkładu: ∆H0 = ½ ∙ (- 220 kJ) + ½ ∙ (- 572 kJ) – ( - 409 kJ) ∆H0 = - 110 kJ – 286 kJ + 409 kJ = 13 kJ/mol

Zadanie 3 z rozwiązaniem Oblicz entalpię tworzenia chlorku amonu korzystając z poniższych danych: ∆H0 Równanie reakcji 179,6 kJ NH3(g) + HCl(g) ↔ NH4Cl(s) - 179,6 kJ 92 kJ 3 H2(g) + N2(g)↔ 2 NH3(g) -92 kJ 183,4 kJ H2(g) + Cl2(g) ↔ 2 HCl (g) - 183,4 kJ Analiza i założenia do zadania: ∆H0 = Σn∆H0twp - Σn∆H0tws obliczenie entalpii tworzenia chlorku amonu: ∆H0 = - 179,6 kJ - ½ ∙ (- 92 kJ) – ½ ∙ (- 183,4 kJ) ∆H0 = - 179,6 kJ + 46 kJ + 91,7 kJ = - 41,9 kJ/ mol

Zadanie 4 z rozwiązaniem Oblicz entalpię tworzenia dichloroetanu korzystając z poniższych danych: ∆H0 Równanie reakcji 157 kJ C2H4(g) + Cl2(g) ↔ CH4Cl2(g) - 157 kJ 484 kJ 2 H2(g) + O2(g)↔ 2 H2O(g) - 484 kJ 394 C(s) + O2(g) ↔ CO2(g) - 394 kJ 1411 kJ C2H4(g) + 3 O2(g) ↔ 2 CO2(g) + 2 H2O(g) - 1411 kJ Analiza i założenia do zadania: ∆H0 = Σn∆H0twp - Σn∆H0tws entalpia tworzenia pierwiastków: ∆H0pierwiastków= 0 kJ obliczenie entalpii tworzenia ÷ a) C2H4 , b) C2H4Cl2: ∆H0 = - 1411 kJ - 2 ∙ (- 242 kJ) – 2 ∙ (- 394 kJ) = - 139 kJ ∆H0 = - 157 kJ + 0 kJ - (- 139 kJ) = - 18 kJ/ mol

Zadanie 5 z rozwiązaniem Oblicz entalpię tworzenia 1 mola Al2O3 na podstawie poniższych danych: ∆H0 Równanie reakcji 2538 kJ 8 Al(s) + 3 Mn3O4(s) ↔ 4 Al2O3(s) + 9 Mn(s) - 2538 kJ 1387 kJ 3 Mn(s) + 2 O2(g) ↔ Mn3O4(s) - 1387 kJ Analiza i założenia do zadania: ∆H0 = Σn∆H0twp - Σn∆H0tws entalpia tworzenia pierwiastków: ∆H0pierwiastków= 0 kJ entalpia rozkładu Mn3O4: ∆H0 = 1387 kJ/mol obliczenie entalpii ÷ a) reakcji, b) tworzenie 1 mol Al2O3 ∆H0 = - 2538 kJ - 3 ∙ 1387 kJ = - 6699 kJ ∆H0 = ¼ ∙ (- 6699 kJ) = - 1674,75 kJ/mol

Zadanie 6 z rozwiązaniem Oblicz entalpię reakcji rozkładu nitrogliceryny / triazotanu(V) glicerolu przebiegającej wg równania: 4 C3H5N3O9(c)  12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g) korzystając z danych: ∆H0 Równanie reakcji - 34 kJ N2(g) + 2 O2(g) ↔ 2 NO2(g) 34 kJ 394 kJ C(s) + O2(g)↔ CO2(g) - 394 kJ 484 kJ 2 H2(g) + O2(g) ↔ 2 H2O(g) - 484 kJ 1540 kJ 4 C3H5N3O5(c) + 11 O2(g) ↔ ↔ 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 12 NO2(g) - 1540 kJ Analiza i założenia do zadania: entalpia spalania: ∆H0 = Σn∆H0twp - Σn∆H0tws entalpia tworzenia pierwiastków: ∆H0pierwiastków= 0,0 kJ

Zadanie 6 z rozwiązaniem / cd obliczenie entalpii reakcji otrzymywania 4 moli nitrogliceryny na podstawie reakcji spalania: 4 C3H5N3O5(c) + 11 O2(g) ↔ 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 12 NO2(g) ∆H0 = 12 ∙ (-394 kJ) + 10 ∙ (-242 kJ) +12 ∙ 34 kJ – (-1540 kJ) ∆H0 = - 4728 kJ - 2420 kJ + 408 kJ + 1540 kJ = - 5200 kJ obliczenie entalpii tworzenia 1 mola nitrogliceryny: ∆H0 = ¼ ∙ (- 5200 kJ) = - 1300 kJ/mol obliczenie entalpii rozkładu nitrogliceryny: 4 C3H5N3O9(c)  12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g) ∆H0 = 12 ∙ (- 394 kJ) + 10 ∙ (-242 kJ) – 4 ∙ (-1300 kJ) ∆H0 = - 4728 kJ – 2420 kJ + 5200 kJ = - 1948 kJ

Zadanie 7 z rozwiązaniem Oblicz entalpię reakcji opisanej równaniem: 3 C(s) + 4 H2(g)  C3H8(g) korzystając z danych: ∆H0 Równanie reakcji 1587 kJ C3H8(g) + 5 O2(g) ↔ 3 CO2(g) + 4 H2O(c) -1587 kJ 394 kJ C(s) + O2(g)↔ CO2(g) - 394 kJ 572 kJ 2 H2(g) + O2(g) ↔ 2 H2O(c) - 572 kJ Analiza i założenia do zadania: entalpia spalania: ∆H0 = Σn∆H0twp - Σn∆H0tws entalpia tworzenia pierwiastków: ∆H0pierwiastków= 0,0 kJ obliczenie entalpii reakcji: ∆H0 = 3 ∙ (- 394 kJ) + 4 ∙ (- 286 kJ) – (- 1587 kJ) ∆H0 = - 1182 kJ – 1144 kJ + 1587 kJ = - 739 kJ/mol

Zadanie 8 z rozwiązaniem Na podstawie równania termochemicznego: 2 C4H10(g) + 13 O2(g)  8 CO2(g) + 10 H2O(g) + 2599,2 kJ (∆H0 = - 2599,2 kJ) oblicz, jaką liczbę moli butanu należy spalić, aby otrzymać 1500 kJ energii wydzielonej na sposób ciepła. Analiza i założenia do zadania: obliczenie liczby moli butanu: 2 mol C4H10(g) ----------- 2599,2 kJ x ----------- 1500,0 kJ ---------------------------------------- x ≈ 1,15 mol butanu

Zadanie 9 z rozwiązaniem Oblicz, jaka ilość energii zostanie przekazana do otoczenia w trakcie spalenia 9,9 dm3 wodoru w tlenie (objętości mierzone w warunkach standardowych) jeżeli reakcja przebiega wg równania termochemicznego: 2H2(g) + O2(g)  2 H2O(c) + 572 kJ. Analiza i założenia do zadania: T = 298 K, R = 83,1dm3∙hPa∙mol-1∙K-1 p = 1000 hPa, V= 9,9 dm3 obliczenie liczby moli wodoru: obliczenie ilości energii: 2,0 mol H2 -------- 572 kJ 0,4 mol H2 -------- x x = 114,4 kJ

Zadanie 10 z rozwiązaniem Oblicz, jaka ilość energii zostanie przekazana do otoczenia w trakcie spalenia 11,2 dm3 w tlenie (objętości mierzone w warunkach normalnych ) mieszaniny zwierającej 60% objętości. metanu, 30% objętośc. etanu i 10% objętośc. propanu, a standardowe entalpie spalania wynoszą: CH4 C2H6 C3H8 ∆H0 = - 891 kJ/mol ∆H0 = - 1560 kJ/mol ∆H0 = - 1411 kJ/mol obliczenie objętości i moli gazów w mieszaninie: VCH4 = 11,2 dm3 ∙ ∙ 0,6 = 6,72 dm3 n = 0,3 mol VC2H4 = 11,2 dm3 ∙ ∙ 0,3 = 3,36 dm3 n = 0,15 mol VC3H8 = 11,2 dm3 ∙ ∙ 0,1 = 1,12 dm3 n = 0,05 mol obliczenie energii po spaleniu mieszaniny gazów: Q = 0,3 mol ∙ 891 kJ/mol + 0,15 mol ∙ 1560 kJ/mol + +0,05 mol ∙ 1411 kJ/mol = 267,3kJ + 234kJ + 70,55kJ = 571,85kJ

Zadanie 11 z rozwiązaniem Na podstawie podanych wartości ∆H0 – entalpii standardowej i ∆S0 – entropii dla reakcji ocen, czy poniższe przemiany zachodzą samorzutnie w warunkach standardowych: (T = 298 K, p = 1000 hPa). Równanie reakcji ∆H0 ∆S0 Ca2+(c) + CO32-(c)  CaCO3(s) 13 kJ/mol 205 J/mol∙K N2(g) + O2(g)  2 NO(g) 180 kJ/mol 25 J/mol∙K 2 H2O2(c)  2 H2O(c) + O2(g) -98 kJ/mol 62 J/mol∙K Analiza i założenia do zadania: ∆G0 – entalpia swobodna, jeżeli: ∆G0 < 0 ÷ proces samorzutny, ∆G0 > 0 ÷ proces wymuszony, ∆G0 = ∆H0 – T ∙ ∆S0 1 J = 1 ∙ 10-3 kJ

Zadanie 11 z rozwiązaniem / cd obliczenie entalpii swobodnej: Ca2+(c) + CO32-(c)  CaCO3(s) ∆G0 = ∆H0 – T ∙ ∆S0 = 13 kJ/mol – 298 K ∙ ∙ 205 ∙ 10-3 kJ/mol ∙ K ∆G0 = - 48,09 kJ ÷ proces samorzutny, ponieważ ∆G0 < 0 N2(g) + O2(g)  2 NO(g) ∆G0 = ∆H0 – T ∙ ∆S0 = 2 ∙ 180 kJ/mol – 298 K ∙ ∙ 2 ∙ 25 ∙ 10-3 kJ/mol ∙ K ∆G0 = 345,1 kJ ÷ proces wymuszony, ponieważ ∆G0 > 0 2 H2O2(c)  2 H2O(c) + O2(g) ∆G0 = ∆H0 – T ∙ ∆S0 = 2 ∙ (- 98 kJ/mol) – 298 K ∙ ∙ 2 ∙ 62 ∙ 10-3 kJ/mol∙K ∆G0 = - 233 kJ ÷ proces samorzutny, ponieważ ∆G0 < 0

Zadanie 12 z rozwiązaniem Entalpia parowania trichlorometanu wynosi: ∆H0 = 29,7 kJ/mol, a zmiana entropii układu w wyniku reakcji: CHCl3(c)  CHCl3(g) wynosi: ∆S0 = 88,7 J/mol∙K. Oblicz temperaturę wrzenia trichlorometanu pod ciśnieniem 1000 hPa. Analiza i założenia do zadania: w stanie równowagi: ∆G0 = ∆H0 – T ∙ ∆S0 = 0 obliczenie temperatury wrzenia: