Учебное пособие для студентов 1 го курса фен

88 
§
 
6. Характеристики химического процесса
 
6.1. 
Стехиометрическое уравнение реакции.
 
Химическая переменная
 
C 
химической точки зрения особый интерес представляют такие 
процессы, которые приводят к 
химическому
 
превращению
, в 
результате которого некоторые химические соединения –
исходные 
вещества, или 
реагенты
–
превращаются в другие химические 
соединения –
продукты реакции.
 
Основной характеристикой химического процесса является 
стехиометрическое
 
уравнение
 
химической реакции
.
Один из 
способов записи в общем виде стехиометрического уравнения:
 





m
j
j
j
l
i
i
i
B
b
A
a
1
1
 
(1)
, 
реагенты продукты
где 
а
i
и 
b
j
–
стехиометрические коэффициенты, показывающие, в 
каких молярных соотношениях расходуются реагенты 
A
i
и 
образуются продукты 
B
j
;
l 
–
число реагентов; 
m
–
число продуктов. 
Например, стехиометрическое уравнение горения метана в 
кислороде: СН
4
+ 2О
2
= СО
2
+ 2Н
2
О показывает молярное 
соотношение реагентов (СН
4
и О
2
) и продуктов (СО
2
и Н
2
О)
n
(СН
4
) : 
n
(О
2
) : 
n
(СО
2
) : 
n
(Н
2
О) = 1 : 2 : 1 : 2. 
В физической химии применяется и другая форма записи 
стехиометрического уравнения:
 
0
1



k
i
i
i
Y
y
(2)
, 
где 
Y
i
–
символы компонентов реакции, 
k
–
их число, 
y
i
–
стехиометрические коэффициенты, 
y
i 
> 0 для продуктов
, 
y
i
 < 0
для 
реагентов.
 
При такой форме записи горение метана в кислороде можно 
записать:

СН
4

2О
2
+ СО
2
+ 2Н
2
О = 0.
Химическую реакцию на любом этапе можно охарактеризовать 
изменением 
числа молей любого компонента: 
∆
n
i
 = n
i 

 n
i
o 
моль, где 
n
i
–
число молей 
i-
го компонента на рассматриваемом этапе, 
n
i
o
–
число молей
i-
го компонента в начальный момент. 

89 
Если 
стехиометрическое уравнение применяется в форме 
(2)
, 
то ∆
n
1
 
: ∆
n
2
:
∆
n
3
 
….∆
n
i
= y
1
: y
2
: y
3
 
….
y
i
. Величина ∆
n
i
/y
i
, 
одинаковая
для всех компонентов, характеризует 
глубину
 
химического превращения
и называется
химическая
 
переменная
 
ξ
:
ξ = (
n
i
 
–
 n
i
o
)/y
i
м
оль
Предельное
значение 
ξ
означает, что реакция идет до полного 
исчезновения одного из реагентов. При этом, надо понимать, что 
ξ
не зависит от выбора компонента реакции, по которому 
рассчитывается. 
По сути, 
химическая переменная
показывает как далеко 
(величина 
ξ
) и в какую сторону (знак «
+
»
или «–»
–
в прямую или 
обратную) прошел химический процесс, сколько «актов»
реакции 
совершенó. 
6.2. 
Тепловой эффект реакции. Закон Гесса
 
Экзотермические
 
реакции
–
реакции, протекающие с 
выделением теплоты 
(Q < 0).
Эндотермические
 
реакции
–
реакции, протекающие с 
поглощением теплоты 
(Q > 0)
. 
Здесь применяется 
термодинамическая система знаков
тепловых эффектов:
Q
v
 
= ∆
U 
(при 
V = const
)
 
и 
Q
p
 
= ∆
H
(при
p = 
const
).
 
Исторически сложилось, что существует ещѐ 
термохимическая
система знаков
: 
Q
v
= 

∆
U
и 
Q
p
= 

∆
H, 
использующаяся в 
термохимии.
Далее везде применяется 
термодинамическая система знаков
. 
Из определения функции состояния 
энтальпии
следует:
Q
p
 
= ∆
H 
= ∆
U 
+ р∆
V.
Для обозначения изменения любой термодинамической функции 
(
F
) при протекании химической реакции используют оператор 

r
(индекс 
r
означает «
reaction
»). 
∆
r
F
означает изменение этой 
функции при протекании химической реакции на один моль 
химической переменной 
ξ
. Например, 

r
U
,

r
H,
 

r
C
p
и др. 
Если в реакции участвуют только конденсированные фазы 
(твѐрдое вещество или индивидуальная жидкость), то 
∆
r
V
мало и 
∆
r
H 
≈ ∆
r
U
. 

90 
Если в реакции участвуют газы, то
р∆
r
V 
= ∆
r
nRT
(изменение 
объѐма связано с 
изменением числа молей газообразных 
компонентов 
в реакции) и
∆
r
H 
= ∆
r
U
+ 
∆
r
nRT
, где
∆
r
n 
= 
Σ
n
газ.прод .

Σ
n
газ.реаг.
Тепловой эффект
химической реакции
(
Q
p
или 
Q
v
) равен 
произведению 

r
H
∙ξ
 
или 

r
U
∙ξ
 
и имеет размерность Дж или кДж.
Из соотношений 
Q
v
 
= ∆
U; Q
p
 
= ∆
H
следует, что 
тепловые
 
эффекты
Q
p
 
и
Q
v
 
являются
 
функциями
 
состояния
, 
которые
 
не
 
зависят
 
от
 
пути
 
процесса,
 
а
 
зависят
 
от
начального
 
и
 
конечного
 
состояний
 
системы
. 
Это –
 
основной
 
закон
 
термохимии –
 
закон 
Гесса.
 
Необходимо отметить:
1)
В термохимических уравнениях важно указывать 
агрегатные 
состояния веществ,
т. к. от этого зависит величина теплового 
эффекта.
2)
Обычно в термохимии фигурируют 
Q
p
, т. е. 
∆Н, 
и теплоту 
химической реакции при постоянном давлении называют просто 
«энтальпией реакции».
Таким образом, закон Гесса позволяет вычислить тепловой 
эффект реакции без его непосредственного измерения, если 
известны энтальпии реакций, комбинированием которых может 
быть представлена нужная реакция. Например, реакцию 
2Fe
(тв) + 3/2
O
2
(г) = 
Fe
2
O
3
(тв)
можно получить путем комбинации реакций 2·(1) + (2): 
Fe(
тв) + ½O
2
(
г
) = FeO(
тв
) 
 
(1)
2FeO(
тв) + ½O
2
(
г
) = Fe
2
O
3
(
тв
) 
(2),
Тепловой эффект будет комбинироваться подобным образом из 
индивиуальных тепловых эффектов реакций 
Q
p
1
и 
Q
p
2
.
Задачи
 
6.1. 
Написать в общем виде стехиометрические уравнения 
сгорания в кислороде:
а) алканов С
n
H
2n+2
; 
б) спиртов С
n
H
2n+1
ОН,
считая продуктами сгорания СО
2
и Н
2
О.
6.2. 
Исходная смесь содержала 3 моля 
Cl 
и 2 моля 
Cl
2.
Для 
реакции 2
Cl = Cl
2
определить: 1) предельные значения химической 
переменной 

; 2) состав смеси, если а) 

= 0,5 моль; б) 

= 

0,5 моль.

91 
6.3. 
Найти предельное (максимальное) значение химической 
переменной для реакции:
N
2
+ 3H
2
= 2NH
3
, если исходная смесь 
содержала по 9 молей
N
2
, H
2
, NH
3
. 
6.4. 
В термостатированном сосуде содержалось два газа: 
45,5% 
мол. А
2
и 54,5% мол. В
2
при общем давлении 1,10 атм. 
В
результате взаимодействия газов образовалось соединение АВ
х
, 
парциальное давление которого составило 0,28 атм. При этом общее 
давление уменьшилось до 0,82 атм. Найти 
х
. 
6.5. 
По 
каким 
признакам 
можно различить 
экзо
- 
и 
эндотермический
типы
процесса
:
? Экзо
- 
или эндотермические 
процессы: термоядерный синтез в звѐздах; испарение воды; реакция 
4Н
2
О
+ 
3СО
2
= 
С
3
Н
8
+ 
5О
2
?
6.6. 
Найти энтальпию превращения графита в алмаз, если 
известны теплоты сгорания графита и алмаза до СО
2
(Q
1
и 
Q
2
соответственно). Изобразить энергетическую диаграмму. 
6.7. 
Определить тепловой эффект 
Q
p
реакции
С(графит) + Н
2
О(г) = СО(г) + Н
2
(г)
из тепловых эффектов
реакций:
1) С(графит) + О
2
(г) = СО
2
(г),
Q
p
= 

394,6 кДж;
2) СО(г) + 0,5О
2
(г) = СО
2
(г),
Q
p
= 

282,6 кДж;
3) Н
2
(г) + 0,5О
2
(г) = Н
2
О(г),
Q
p
= 

241,6 кДж.
6.8. 
В реакции 
Zn
(тв) + 
H
2
SO
4
(р
-
р) = 
ZnSO
4
(р
-
р) + Н
2
(г), 
проведенной в изолированной системе (калориметрической бомбе) 
при 298 К, на 1 моль 
Zn 
выделилось 143 кДж теплоты. Рассчитать 
энтальпию реакции.
6.9. 
Для газофазной реакции 3А + 
х
В = 2С, протекающей при 
температуре 727
°С
, 

r
U
= 9,11 кДж и 

r
H
= 

15,82 
кДж. 
Определить стехиометрический коэффициент 
х
.

жүктеу/скачать 6,53 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: