Номер 30, страница 291 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.30. Теплота растворения натрия в воде равна 184 кДж/моль, а теплота растворения оксида натрия в воде равна 238 кДж/моль. Рассчитайте теплоту образования оксида натрия, если теплота образования жидкой воды равна 286 кДж/моль.

Дано:

Теплота реакции натрия с водой ($Q_1$) = 184 кДж/моль
Теплота растворения оксида натрия в воде ($Q_2$) = 238 кДж/моль
Теплота образования жидкой воды ($Q_3$) = 286 кДж/моль

Все данные представлены в кДж/моль, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:

Теплоту образования оксида натрия ($Q_{обр}(Na_2O)$) - ?

Решение:

Для решения задачи воспользуемся законом Гесса, который позволяет вычислять тепловые эффекты реакций (или изменения энтальпии) путем комбинирования уравнений других реакций. Тепловой эффект реакции ($Q$) и изменение энтальпии ($\Delta H$) связаны соотношением $Q = -\Delta H$. Если в ходе реакции теплота выделяется (экзотермическая реакция), то $Q > 0$ и $\Delta H < 0$.

Запишем термохимические уравнения для данных процессов с указанием изменений энтальпии:

1. Реакция металлического натрия с водой. Процесс экзотермический, $\Delta H_1 = -Q_1$.

(1) $Na_{(тв)} + H_2O_{(ж)} \rightarrow NaOH_{(р-р)} + \frac{1}{2}H_{2(г)}$; $\Delta H_1 = -184$ кДж

2. Растворение оксида натрия в воде. Процесс экзотермический, $\Delta H_2 = -Q_2$.

(2) $Na_2O_{(тв)} + H_2O_{(ж)} \rightarrow 2NaOH_{(р-р)}$; $\Delta H_2 = -238$ кДж

3. Образование жидкой воды из простых веществ. Процесс экзотермический, $\Delta H_3 = -Q_3$.

(3) $H_{2(г)} + \frac{1}{2}O_{2(г)} \rightarrow H_2O_{(ж)}$; $\Delta H_3 = -286$ кДж

Нам необходимо найти теплоту образования твердого оксида натрия, то есть тепловой эффект ($Q_4$) для следующей реакции:

(4) $2Na_{(тв)} + \frac{1}{2}O_{2(г)} \rightarrow Na_2O_{(тв)}$; $Q_4 = -\Delta H_4 = ?$

Чтобы получить целевое уравнение (4), скомбинируем уравнения (1), (2) и (3):

• Умножим уравнение (1) на 2, чтобы получить $2Na_{(тв)}$ в левой части. Изменение энтальпии также умножится на 2.

  $2Na_{(тв)} + 2H_2O_{(ж)} \rightarrow 2NaOH_{(р-р)} + H_{2(г)}$; $2\Delta H_1 = 2 \cdot (-184) = -368$ кДж

• Перевернем уравнение (2), чтобы $Na_2O_{(тв)}$ оказалось в правой части (как продукт реакции). Знак изменения энтальпии изменится на противоположный.

  $2NaOH_{(р-р)} \rightarrow Na_2O_{(тв)} + H_2O_{(ж)}$; $-\Delta H_2 = -(-238) = +238$ кДж

• Уравнение (3) оставим без изменений, так как оно содержит $\frac{1}{2}O_{2(г)}$ в левой части.

  $H_{2(г)} + \frac{1}{2}O_{2(г)} \rightarrow H_2O_{(ж)}$; $\Delta H_3 = -286$ кДж

Теперь сложим полученные три уравнения и их изменения энтальпии:

$(2Na_{(тв)} + 2H_2O_{(ж)}) + (2NaOH_{(р-р)}) + (H_{2(г)} + \frac{1}{2}O_{2(г)}) \rightarrow (2NaOH_{(р-р)} + H_{2(г)}) + (Na_2O_{(тв)} + H_2O_{(ж)}) + (H_2O_{(ж)})$

Сократим одинаковые вещества в левой и правой частях уравнения:

$2Na_{(тв)} + \cancel{2H_2O_{(ж)}} + \cancel{2NaOH_{(р-р)}} + \cancel{H_{2(г)}} + \frac{1}{2}O_{2(г)} \rightarrow \cancel{2NaOH_{(р-р)}} + \cancel{H_{2(г)}} + Na_2O_{(тв)} + \cancel{2H_2O_{(ж)}}$

В результате получаем искомое уравнение реакции образования оксида натрия:

$2Na_{(тв)} + \frac{1}{2}O_{2(г)} \rightarrow Na_2O_{(тв)}$

Изменение энтальпии для этой реакции ($\Delta H_4$) равно сумме изменений энтальпий преобразованных уравнений:

$\Delta H_4 = (2\Delta H_1) + (-\Delta H_2) + \Delta H_3$

$\Delta H_4 = -368 \text{ кДж} + 238 \text{ кДж} + (-286 \text{ кДж}) = -368 + 238 - 286 = -416$ кДж

Мы нашли изменение энтальпии реакции образования оксида натрия. Теплота образования ($Q_{обр}$) равна изменению энтальпии с обратным знаком:

$Q_4 = -\Delta H_4 = -(-416 \text{ кДж}) = 416$ кДж

Теплота образования оксида натрия равна 416 кДж/моль.

Ответ: 416 кДж/моль.