Т е м а: Химическая термодинамика Примеры решения задач

Задача 1. Рассчитайте количество теплоты, выделившейся при аэробном окислении 18 г глюкозы, если ее стандартная энтальпия сгорания равна –2805 кДж/моль.

Решение

Процесс аэробного окисления глюкозы можно представить как процесс ее сгорания при постоянном давлении (р = 101,325 кПа)

С₆Н₁₂О_6(т) + 6 О_2(г) = 6 СО_2(г) + 6 Н₂О_(ж), .

При сгорании 1 моль глюкозы, по условию задачи, выделяется 2805 кДж/моль теплоты. Молярная масса глюкозы 180 г/моль, поэтому 18 г глюкозы составляют 0,1 моль. Рассчитаем количество теплоты, выделившееся при сгорании 18 г глюкозы:

.

Задача 2. В растениях происходит гидролитическое расщепление мочевины на аммиак и оксид углерода (IV). Сравните и для реакции гидролиза мочевины (стандартные энтальпии образования () участников реакции приведены в таблице 1):

Т а б л и ц а 1

Вещество	, кДж/моль
CO(NH2)2 (т)	–333,20
Н2О (ж)	–285,85
СО2(г)	–393,50
NН3(г)	–47,70

Какой физический смысл имеют величины и для химической реакции?

Решение

Запишем уравнение реакции гидролиза мочевины:

CO(NH₂)_2(т) + Н₂О_(ж) = СО_2(г) + 2 NН_3(г) .

Для расчета используем 1-е следствие из закона Гесса, согласно которому изменение энтальпии реакции равно разности сумм изменения энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

и связаны между собой соотношением:

где n – число молей газообразных участников реакции.

Для данной реакции .

Величины и для химической реакции характеризуют тепловой эффект при P = const и V = const, соответственно. Cравнивая их можно заметить, что тепловой эффект реакции при постоянном давлении больше, чем при постоянном объеме. Поскольку , реакция является эндотермической, т. е. идет с поглощением теплоты.

Задача 3. Рассчитайте энтальпию образования ацетона, если при сгорании 1 моль его выделяется 1785,73 кДж/моль теплоты, а стандартные энтальпии образования Н₂О_(ж) и СО_2(г) соответственно равны –285,85 кДж/моль и –393,50 кДж/моль.

Решение

Энтальпия образования ацетона представляет собой тепловой эффект реакции образования 1 моль ацетона из простых веществ:

3С_(т) + 3Н_2(г) + О_2(г)  СН₃СОСН_3(ж) (1)

Составим термохимические уравнения для приведенных значений энтальпий:

СН₃СОСН_3(ж) + 4О_2(г) = 3СО_2(г) + 3Н₂О_(ж); (2)

С_(т) + О_2(г) = СО_2(г); (3)

Н_2(г) + О_2(г) = Н₂О_(ж); (4)

Из уравнений (3) и (4) можно заключить, что энтальпия образования СО₂ и Н₂О является энтальпией сгорания углерода и водорода.

На основании приведенных уравнений (2)  (4) можно сказать, что в задаче известны энтальпии сгорания всех участников реакции (1). Поэтому для расчета энтальпии образования ацетона применим 2-е следствие из закона Гесса, согласно которому изменение энтальпии реакции равно разности сумм энтальпий сгорания исходных веществ и продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов:

Значение , следовательно, реакция экзотермическая.

Задача 4. Рассчитайте для реакции образования дипептида из глицина и определите направление самопроизвольного протекания процесса. Для расчета используйте данные, приведенные в таблице 2.

Т а б л и ц а 2

Вещество	, кДж/моль	, Дж/(мольК)
глицин	–537,23	103,00
глицилглицин	–746,01	189,95
Н2О(ж)	–285,85	69,54

Решение

Запишем уравнение реакции:

Н₂N— CH₂—COOH + Н₂N— CH₂—COOH =

= Н₂N— CH₂—CO—НN— CH₂—COOH + H₂O.

Рассчитаем изменение энтальпии по 1-му следствию из закона Гесса:

Изменение энтропии рассчитаем по формуле:

По уравнению Гиббса  Гельмгольца находим изменение :

На основании значения можно заключить, что данная реакция самопроизвольно протекать не может, т. е. предпочтительнее ее протекание в обратном направлении.