Страница 68 - гдз по химии 8-9 класс задачник с помощником Гара, Габрусева

5.1. При соединении 4,2 г железа с серой выделилось 7,15 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

Дано:

$m(\text{Fe}) = 4,2 \text{ г}$
$Q_{выд} = 7,15 \text{ кДж}$

$m(\text{Fe}) = 4,2 \cdot 10^{-3} \text{ кг}$
$Q_{выд} = 7,15 \cdot 10^{3} \text{ Дж}$

Найти:

Термохимическое уравнение реакции - ?

Решение:

Термохимическое уравнение представляет собой уравнение химической реакции, в котором указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект реакции.

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с серой. В результате реакции соединения образуется сульфид железа(II). Укажем агрегатные состояния веществ (тв - твердое).
$\text{Fe}_{(\text{тв})} + \text{S}_{(\text{тв})} = \text{FeS}_{(\text{тв})}$

2. Для составления термохимического уравнения необходимо рассчитать тепловой эффект реакции в расчете на 1 моль вещества, согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении. Сначала найдем количество вещества железа ($n$), вступившего в реакцию. Молярная масса железа $M(\text{Fe})$ составляет 56 г/моль.
$n(\text{Fe}) = \frac{m(\text{Fe})}{M(\text{Fe})} = \frac{4,2 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0,075 \text{ моль}$

3. Согласно условию, при реакции 0,075 моль железа выделилось 7,15 кДж теплоты. Рассчитаем мольный тепловой эффект ($Q_m$), то есть количество теплоты, которое выделяется при реакции 1 моль железа.
Составим пропорцию:
$0,075 \text{ моль Fe} \longrightarrow 7,15 \text{ кДж}$
$1 \text{ моль Fe} \longrightarrow Q_m$
$Q_m = \frac{1 \text{ моль} \cdot 7,15 \text{ кДж}}{0,075 \text{ моль}} \approx 95,33 \text{ кДж}$

4. Так как теплота в ходе реакции выделяется, реакция является экзотермической. Тепловой эффект ($+Q$) записывается в правой части уравнения. Округлим полученное значение до десятых.
Теперь мы можем записать полное термохимическое уравнение:
$\text{Fe}_{(\text{тв})} + \text{S}_{(\text{тв})} = \text{FeS}_{(\text{тв})} + 95,3 \text{ кДж}$

Также это уравнение можно записать с указанием изменения энтальпии ($\Delta H$). Для экзотермической реакции $\Delta H < 0$.
$\text{Fe}_{(\text{тв})} + \text{S}_{(\text{тв})} = \text{FeS}_{(\text{тв})}; \Delta H = -95,3 \text{ кДж}$

Ответ: $\text{Fe}_{(\text{тв})} + \text{S}_{(\text{тв})} = \text{FeS}_{(\text{тв})} + 95,3 \text{ кДж}$.

5.2. При взаимодействии 1,8 г алюминия с кислородом выделилось 54,7 кДж теплоты. Вычислите теплоту образования оксида алюминия. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

Дано:

Масса алюминия, $m(Al) = 1.8 \text{ г}$
Выделившаяся теплота, $Q_{эксп} = 54.7 \text{ кДж}$

Перевод в систему СИ:
$m(Al) = 1.8 \times 10^{-3} \text{ кг}$
$Q_{эксп} = 54.7 \times 10^{3} \text{ Дж}$

Найти:

1. Теплоту образования оксида алюминия, $Q_{обр}(Al_2O_3)$ - ?
2. Термохимическое уравнение реакции - ?

Решение:

Запишем уравнение реакции взаимодействия алюминия с кислородом и расставим коэффициенты:

$4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

Рассчитаем количество вещества (в молях) алюминия, вступившего в реакцию. Молярная масса алюминия $M(Al)$ составляет 27 г/моль.

$n(Al) = \frac{m(Al)}{M(Al)} = \frac{1.8 \text{ г}}{27 \text{ г/моль}} = \frac{1}{15} \text{ моль}$

Вычислите теплоту образования оксида алюминия

Теплота образования вещества – это тепловой эффект реакции образования 1 моль данного вещества из простых веществ в стандартных условиях.

Сначала найдем количество вещества оксида алюминия, которое образовалось при сгорании $\frac{1}{15}$ моль алюминия. Составим пропорцию согласно уравнению реакции:

$\frac{n(Al)}{4} = \frac{n(Al_2O_3)}{2} \Rightarrow n(Al_2O_3) = \frac{2 \times n(Al)}{4} = \frac{n(Al)}{2}$

$n(Al_2O_3) = \frac{1/15 \text{ моль}}{2} = \frac{1}{30} \text{ моль}$

По условию, при образовании $\frac{1}{30}$ моль $Al_2O_3$ выделилось $54.7$ кДж теплоты. Рассчитаем теплоту образования ($Q_{обр}$) для 1 моль $Al_2O_3$:

$Q_{обр} = \frac{Q_{эксп}}{n(Al_2O_3)} = \frac{54.7 \text{ кДж}}{1/30 \text{ моль}} = 54.7 \times 30 = 1641 \text{ кДж/моль}$

Ответ: Теплота образования оксида алюминия составляет $1641 \text{ кДж/моль}$.

Составьте термохимическое уравнение этой реакции

Термохимическое уравнение включает в себя запись химической реакции с указанием агрегатных состояний веществ и величины теплового эффекта реакции.

Тепловой эффект реакции ($Q_{реакции}$) соответствует стехиометрическим коэффициентам в уравнении. Для реакции $4Al + 3O_2 = 2Al_2O_3$ образуется 2 моль $Al_2O_3$. Тепловой эффект будет в два раза больше теплоты образования:

$Q_{реакции} = Q_{обр} \times 2 \text{ моль} = 1641 \text{ кДж/моль} \times 2 \text{ моль} = 3282 \text{ кДж}$

Поскольку теплота выделяется, реакция является экзотермической. Тепловой эффект записывается в правой части уравнения со знаком «+». Укажем агрегатные состояния веществ: алюминий и его оксид - твердые (тв), кислород - газ (г).

$4Al_{(тв)} + 3O_{2(г)} = 2Al_2O_{3(тв)} + 3282 \text{ кДж}$

Ответ: $4Al_{(тв)} + 3O_{2(г)} = 2Al_2O_{3(тв)} + 3282 \text{ кДж}$.

5.3. При полном сжигании 42 л метана (н. у.) выделилось 1674 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение реакции горения метана.

Дано:

$V(CH_4) = 42 \text{ л}$

$Q = 1674 \text{ кДж}$

Условия: н. у. (нормальные условия)

Перевод в СИ:

$V(CH_4) = 42 \text{ л} = 42 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

$Q = 1674 \text{ кДж} = 1674 \cdot 10^3 \text{ Дж}$

Найти:

Термохимическое уравнение реакции горения метана - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции полного сгорания метана ($CH_4$) в кислороде. Продуктами реакции являются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$). Уравняем его и укажем агрегатные состояния веществ при нормальных условиях (г - газ, ж - жидкость).

$CH_{4(г)} + 2O_{2(г)} \rightarrow CO_{2(г)} + 2H_2O_{(ж)}$

2. Для составления термохимического уравнения необходимо рассчитать тепловой эффект реакции, отнесенный к 1 моль метана (согласно коэффициенту в уравнении). Сначала найдем количество вещества ($n$) метана объемом 42 л. При нормальных условиях молярный объем любого газа $V_m$ составляет 22,4 л/моль.

$n(CH_4) = \frac{V(CH_4)}{V_m} = \frac{42 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 1.875 \text{ моль}$

3. Согласно условию, при сгорании 1.875 моль метана выделилось 1674 кДж теплоты. Найдем тепловой эффект ($Q_{реакции}$) для сгорания 1 моль метана с помощью пропорции:

$1.875 \text{ моль } CH_4 \text{ — } 1674 \text{ кДж}$

$1 \text{ моль } CH_4 \text{ — } Q_{реакции}$

$Q_{реакции} = \frac{1 \text{ моль} \cdot 1674 \text{ кДж}}{1.875 \text{ моль}} = 892.8 \text{ кДж}$

4. Теперь можно записать окончательное термохимическое уравнение. Так как в ходе реакции теплота выделяется (экзотермическая реакция), тепловой эффект записывается в правой части уравнения со знаком «+».

$CH_{4(г)} + 2O_{2(г)} = CO_{2(г)} + 2H_2O_{(ж)} + 892.8 \text{ кДж}$

Ответ: $CH_{4(г)} + 2O_{2(г)} = CO_{2(г)} + 2H_2O_{(ж)} + 892.8 \text{ кДж}$

5.4. По термохимическому уравнению реакции

$CO(\text{г}) + 2H_2(\text{г}) = CH_3OH(\text{ж}) + 109 \text{ кДж}$

вычислите количество теплоты, выделившейся при образовании 6,4 г метанола.

Дано:

Термохимическое уравнение реакции: $CO(г) + 2H_2(г) = CH_3OH(ж) + 109 \text{ кДж}$
Масса метанола $m(CH_3OH) = 6,4 \text{ г}$

$m(CH_3OH) = 6,4 \text{ г} = 0,0064 \text{ кг}$
$Q_{реакции} = 109 \text{ кДж} = 109000 \text{ Дж}$

Найти:

Количество теплоты $Q - ?$

Решение:

Термохимическое уравнение показывает, что при образовании 1 моль метанола ($CH_3OH$) в соответствии со стехиометрическими коэффициентами выделяется 109 кДж теплоты.

1. Вычислим молярную массу метанола ($CH_3OH$):

$M(CH_3OH) = M(C) + 4 \cdot M(H) + M(O) = 12 + 4 \cdot 1 + 16 = 32 \text{ г/моль}$

2. Найдем количество вещества метанола в 6,4 г по формуле $n = \frac{m}{M}$:

$n(CH_3OH) = \frac{6,4 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

3. Составим пропорцию для расчета количества теплоты ($Q$), выделяющейся при образовании 0,2 моль метанола:

При образовании $1 \text{ моль } CH_3OH$ — выделяется $109 \text{ кДж}$ теплоты
При образовании $0,2 \text{ моль } CH_3OH$ — выделяется $Q \text{ кДж}$ теплоты

Из пропорции находим $Q$:

$Q = \frac{0,2 \text{ моль} \cdot 109 \text{ кДж}}{1 \text{ моль}} = 21,8 \text{ кДж}$

Ответ: 21,8 кДж.