Страница 102 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Приведите по два примера экзотермических и эндотермических реакций.

Химические реакции, в зависимости от их теплового эффекта, делятся на экзотермические и эндотермические. Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты, а эндотермические — с её поглощением.

Экзотермические реакции

Это реакции, которые сопровождаются выделением энергии в виде теплоты в окружающую среду (тепловой эффект $Q > 0$).

1. Горение природного газа (метана). Данная реакция является классическим примером экзотермической реакции, используемой повсеместно для получения тепла.

$C{H_4} + 2{O_2} \rightarrow C{O_2} + 2{H_2O} + Q$

2. Гашение извести (взаимодействие оксида кальция с водой). При добавлении воды к негашёной извести происходит бурная реакция с сильным разогреванием смеси.

$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + Q$

Ответ: примеры экзотермических реакций: горение метана ($C{H_4} + 2{O_2} \rightarrow C{O_2} + 2{H_2O}$) и гашение извести ($CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$).

Эндотермические реакции

Это реакции, которые для своего протекания поглощают энергию (теплоту) из окружающей среды (тепловой эффект $Q < 0$).

1. Разложение известняка (карбоната кальция) при сильном нагревании. Этот процесс требует значительных затрат энергии и используется в промышленности для получения негашёной извести.

$CaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} CaO + CO_2 - Q$

2. Синтез оксида азота(II) из простых веществ. Реакция между азотом и кислородом происходит только при очень высокой температуре (например, в электрической дуге или при разряде молнии), так как требует большого количества энергии.

$N_2 + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2NO - Q$

Ответ: примеры эндотермических реакций: разложение карбоната кальция ($CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$) и синтез оксида азота(II) ($N_2 + O_2 \rightarrow 2NO$).

2. Даны термохимические уравнения нескольких реакций:

а) $4\text{P}_{(\text{тв})} + 5\text{O}_{2(\text{г})} = 2\text{P}_2\text{O}_{5(\text{тв})} + 2984 \text{ кДж};$

б) $2\text{Al}_{(\text{тв})} + \text{Fe}_2\text{O}_{3(\text{тв})} = \text{Al}_2\text{O}_{3(\text{тв})} + 2\text{Fe}_{(\text{тв})} + 850 \text{ кДж};$

в) $\text{N}_{2(\text{г})} + \text{O}_{2(\text{г})} = 2\text{NO}_{(\text{г})} - 180 \text{ кДж};$

г) $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_{6(\text{тв})} + 6\text{O}_{2(\text{г})} = 6\text{CO}_{2(\text{г})} + 6\text{H}_2\text{O}_{(\text{ж})} + 2800 \text{ кДж}.$

Какие из них являются экзотермическими; эндотермическими?

Для классификации химических реакций как экзотермических или эндотермических необходимо проанализировать их тепловой эффект (Q), указанный в термохимическом уравнении.

• Экзотермические реакции — это реакции, протекающие с выделением теплоты в окружающую среду. В уравнениях таких реакций тепловой эффект указывается со знаком «+» в правой части ($... = ... + Q$) или как отрицательное значение изменения энтальпии ($\Delta H < 0$).
• Эндотермические реакции — это реакции, протекающие с поглощением теплоты из окружающей среды. В уравнениях таких реакций тепловой эффект указывается со знаком «–» в правой части ($... = ... - Q$) или как положительное значение изменения энтальпии ($\Delta H > 0$).

Проанализируем каждое из данных уравнений:

а) В реакции $4\text{P}_{(\text{тв})} + 5\text{O}_{2(\text{г})} = 2\text{P}_2\text{O}_{5(\text{тв})} + 2984 \text{ кДж}$ теплота выделяется, так как тепловой эффект $Q = +2984 \text{ кДж}$ указан в продуктах реакции со знаком «+». Следовательно, реакция является экзотермической.

Ответ: экзотермическая.

б) В реакции $2\text{Al}_{(\text{тв})} + \text{Fe}_2\text{O}_{3(\text{тв})} = \text{Al}_2\text{O}_{3(\text{тв})} + 2\text{Fe}_{(\text{тв})} + 850 \text{ кДж}$ теплота выделяется, так как тепловой эффект $Q = +850 \text{ кДж}$ указан в продуктах реакции со знаком «+». Следовательно, реакция является экзотермической.

Ответ: экзотермическая.

в) В реакции $\text{N}_{2(\text{г})} + \text{O}_{2(\text{г})} = 2\text{NO}_{(\text{г})} - 180 \text{ кДж}$ теплота поглощается. Запись «–180 кДж» в правой части уравнения означает, что для протекания реакции требуется затратить 180 кДж энергии. Это эквивалентно записи $\text{N}_{2(\text{г})} + \text{O}_{2(\text{г})} + 180 \text{ кДж} = 2\text{NO}_{(\text{г})}$. Следовательно, реакция является эндотермической.

Ответ: эндотермическая.

г) В реакции $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_{6(\text{тв})} + 6\text{O}_{2(\text{г})} = 6\text{CO}_{2(\text{г})} + 6\text{H}_2\text{O}_{(\text{ж})} + 2800 \text{ кДж}$ теплота выделяется, так как тепловой эффект $Q = +2800 \text{ кДж}$ указан в продуктах реакции со знаком «+». Следовательно, реакция является экзотермической.

Ответ: экзотермическая.

3. При кристаллизации свинца из расплава происходит выделение теплоты. Какой это процесс — экзо- или эндотермический?

Решение

Для определения типа процесса необходимо понимать разницу между экзотермическими и эндотермическими реакциями.

Экзотермический процесс — это процесс, который протекает с выделением энергии, как правило, в виде теплоты, в окружающую среду. Приставка «экзо-» означает «наружу». Примерами служат горение, конденсация пара в воду и кристаллизация жидкости.

Эндотермический процесс — это процесс, который для своего протекания требует поглощения энергии (теплоты) из окружающей среды. Приставка «эндо-» означает «внутрь». Примерами являются плавление льда, испарение воды.

В условии задачи говорится, что при кристаллизации свинца из расплава происходит выделение теплоты. Кристаллизация — это фазовый переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. В жидком расплаве атомы свинца обладают высокой энергией и движутся хаотично. При затвердевании они выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку, переходя в состояние с меньшей внутренней энергией. Разница в энергии выделяется в виде теплоты.

Поскольку процесс кристаллизации свинца сопровождается выделением теплоты, он является экзотермическим.

Ответ: экзотермический.

4. Пользуясь данными, приведёнными в параграфе, составьте термохимическое уравнение разложения жидкой воды на водород и кислород.

Для составления термохимического уравнения реакции разложения жидкой воды необходимо сначала записать саму реакцию, а затем определить её тепловой эффект ($\Delta H$). Тепловой эффект можно рассчитать, используя стандартные энтальпии образования веществ, которые являются справочными данными.

Дано:

Стандартная энтальпия образования жидкой воды: $\Delta H_{f}^\circ(H_2O_{(ж)}) = -285,8$ кДж/моль.

Стандартные энтальпии образования простых веществ в их устойчивом состоянии (в данном случае, газообразных водорода и кислорода) по определению равны нулю:

$\Delta H_{f}^\circ(H_{2(г)}) = 0$ кДж/моль

$\Delta H_{f}^\circ(O_{2(г)}) = 0$ кДж/моль

Найти:

Термохимическое уравнение реакции разложения жидкой воды на водород и кислород.

Решение:

1. Запишем уравнение реакции разложения жидкой воды ($H_2O_{(ж)}$) на простые вещества — газообразный водород ($H_{2(г)}$) и газообразный кислород ($O_{2(г)}$). Необходимо также уравнять его (подобрать стехиометрические коэффициенты).

$2H_2O_{(ж)} \rightarrow 2H_{2(г)} + O_{2(г)}$

2. Рассчитаем изменение энтальпии ($\Delta H$) для этой реакции, используя следствие из закона Гесса. Изменение энтальпии реакции равно разности сумм стандартных энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ (реагентов), умноженных на их стехиометрические коэффициенты ($\nu$).

$\Delta H_{реакции}^\circ = \sum (\nu \cdot \Delta H_{f, продукты}^\circ) - \sum (\nu \cdot \Delta H_{f, реагенты}^\circ)$

Для нашей реакции продуктами являются $2$ моль $H_{2(г)}$ и $1$ моль $O_{2(г)}$, а реагентом — $2$ моль $H_2O_{(ж)}$.

$\Delta H_{реакции}^\circ = (2 \cdot \Delta H_{f}^\circ(H_{2(г)}) + 1 \cdot \Delta H_{f}^\circ(O_{2(г)})) - (2 \cdot \Delta H_{f}^\circ(H_2O_{(ж)}))$

3. Подставим известные значения в формулу:

$\Delta H_{реакции}^\circ = (2 \cdot 0 \text{ кДж/моль} + 1 \cdot 0 \text{ кДж/моль}) - (2 \cdot (-285,8 \text{ кДж/моль}))$

$\Delta H_{реакции}^\circ = 0 - (-571,6 \text{ кДж}) = +571,6$ кДж

Положительное значение $\Delta H$ показывает, что реакция является эндотермической, то есть для её протекания требуется поглощение 571,6 кДж теплоты (на 2 моль воды).

4. Теперь мы можем составить полное термохимическое уравнение, указав в нем сбалансированную реакцию, агрегатные состояния веществ и вычисленный тепловой эффект.

Ответ:

Термохимическое уравнение разложения жидкой воды на водород и кислород имеет следующий вид:

$2H_2O_{(ж)} = 2H_{2(г)} + O_{2(г)}$; $\Delta H = +571,6$ кДж

5. Дано термохимическое уравнение синтеза аммиака:

$N_{2\text{(г)}} + 3H_{2\text{(г)}} = 2NH_{3\text{(г)}} + 92 \text{ кДж}.$

Рассчитайте, сколько теплоты выделится при образовании:

a) 10 моль;

б) 10 г;

в) 10 л (н. у.) аммиака.

Дано:

Термохимическое уравнение: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} = 2NH_{3(г)} + 92 \text{ кДж}$

а) $n(\text{NH}_3) = 10 \text{ моль}$

б) $m(\text{NH}_3) = 10 \text{ г}$

в) $V(\text{NH}_3) = 10 \text{ л}$ (при н. у.)

$m(\text{NH}_3) = 10 \text{ г} = 0.01 \text{ кг}$

$V(\text{NH}_3) = 10 \text{ л} = 0.01 \text{ м}^3$

$Q = 92 \text{ кДж} = 92000 \text{ Дж}$

Найти:

$Q_a -?$, $Q_б -?$, $Q_в -?$

Решение:

Из термохимического уравнения следует, что при образовании 2 моль аммиака ($NH_3$) выделяется 92 кДж теплоты. Это соотношение мы будем использовать для всех расчетов.

а) 10 моль

Составим пропорцию, чтобы найти количество теплоты ($Q_a$), которое выделится при образовании 10 моль аммиака:

при образовании $2 \text{ моль NH}_3$ — выделяется $92 \text{ кДж}$ теплоты

при образовании $10 \text{ моль NH}_3$ — выделяется $Q_a \text{ кДж}$ теплоты

Из пропорции находим $Q_a$:

$Q_a = \frac{10 \text{ моль} \cdot 92 \text{ кДж}}{2 \text{ моль}} = 5 \cdot 92 \text{ кДж} = 460 \text{ кДж}$

Ответ: при образовании 10 моль аммиака выделится 460 кДж теплоты.

б) 10 г

Сначала найдем количество вещества ($n$) в 10 г аммиака. Для этого нам понадобится молярная масса аммиака $M(\text{NH}_3)$.

$M(\text{NH}_3) = M(N) + 3 \cdot M(H) = 14 + 3 \cdot 1 = 17 \text{ г/моль}$

Теперь вычислим количество вещества:

$n(\text{NH}_3) = \frac{m}{M} = \frac{10 \text{ г}}{17 \text{ г/моль}} \approx 0.588 \text{ моль}$

Составим пропорцию для нахождения теплоты ($Q_б$):

при образовании $2 \text{ моль NH}_3$ — выделяется $92 \text{ кДж}$ теплоты

при образовании $\frac{10}{17} \text{ моль NH}_3$ — выделяется $Q_б \text{ кДж}$ теплоты

$Q_б = \frac{\frac{10}{17} \text{ моль} \cdot 92 \text{ кДж}}{2 \text{ моль}} = \frac{10 \cdot 92}{17 \cdot 2} = \frac{460}{17} \approx 27.06 \text{ кДж}$

Ответ: при образовании 10 г аммиака выделится 27,06 кДж теплоты.

в) 10 л (н. у.)

Сначала найдем количество вещества ($n$) в 10 л аммиака при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. составляет $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$.

$n(\text{NH}_3) = \frac{V}{V_m} = \frac{10 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} \approx 0.446 \text{ моль}$

Составим пропорцию для нахождения теплоты ($Q_в$):

при образовании $2 \text{ моль NH}_3$ — выделяется $92 \text{ кДж}$ теплоты

при образовании $\frac{10}{22.4} \text{ моль NH}_3$ — выделяется $Q_в \text{ кДж}$ теплоты

$Q_в = \frac{\frac{10}{22.4} \text{ моль} \cdot 92 \text{ кДж}}{2 \text{ моль}} = \frac{10 \cdot 92}{22.4 \cdot 2} = \frac{460}{22.4} \approx 20.54 \text{ кДж}$

Ответ: при образовании 10 л аммиака (н. у.) выделится 20,54 кДж теплоты.

6. Теплота сгорания угля равна 393,5 кДж/моль. Напишите термохимическое уравнение реакции. Рассчитайте количество теплоты, которое выделится при сгорании 1 кг угля. Какой объём углекислого газа (н. у.) образовался, если при сгорании угля выделилось 157,4 кДж теплоты?

Дано:

Теплота сгорания угля (C): $Q_{моль} = 393.5 \text{ кДж/моль}$

Масса угля: $m_1(C) = 1 \text{ кг}$

Выделившаяся теплота: $Q_2 = 157.4 \text{ кДж}$

$m_1(C) = 1 \text{ кг} = 1000 \text{ г}$

$Q_{моль} = 393.5 \text{ кДж/моль} = 393.5 \times 10^3 \text{ Дж/моль}$

$Q_2 = 157.4 \text{ кДж} = 157.4 \times 10^3 \text{ Дж}$

Найти:

Термохимическое уравнение реакции - ?

Количество теплоты $Q_1$ при сгорании 1 кг угля - ?

Объем $V(CO_2)$ при выделении 157.4 кДж теплоты - ?

Решение:

Напишите термохимическое уравнение реакции.

Принимаем уголь за чистый углерод (C). Реакция полного сгорания углерода в кислороде ($O_2$) приводит к образованию диоксида углерода ($CO_2$). Теплота сгорания 393,5 кДж/моль — это тепловой эффект реакции ($Q$) для 1 моль углерода. Термохимическое уравнение, с указанием агрегатных состояний (тв — твердое, г — газообразное), имеет вид:

$C_{(тв)} + O_{2(г)} = CO_{2(г)} + 393.5 \text{ кДж}$

Ответ: $C_{(тв)} + O_{2(г)} = CO_{2(г)} + 393.5 \text{ кДж}$.

Рассчитайте количество теплоты, которое выделится при сгорании 1 кг угля.

1. Найдем количество вещества углерода в 1 кг (1000 г). Молярная масса углерода $M(C) \approx 12 \text{ г/моль}$.

$n_1(C) = \frac{m_1(C)}{M(C)} = \frac{1000 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 83.33 \text{ моль}$.

2. Из термохимического уравнения следует, что при сгорании 1 моль C выделяется 393,5 кДж теплоты. Рассчитаем количество теплоты ($Q_1$), которое выделится при сгорании $n_1(C)$ моль углерода:

$Q_1 = n_1(C) \times Q_{моль} = \frac{1000}{12} \text{ моль} \times 393.5 \frac{\text{кДж}}{\text{моль}} \approx 32791.67 \text{ кДж}$.

Ответ: при сгорании 1 кг угля выделится примерно 32792 кДж теплоты.

Какой объём углекислого газа (н. у.) образовался, если при сгорании угля выделилось 157,4 кДж теплоты?

1. Согласно термохимическому уравнению, при выделении 393,5 кДж теплоты образуется 1 моль $CO_2$. Найдем количество вещества $CO_2$ ($n_2(CO_2)$), образовавшегося при выделении $Q_2 = 157,4 \text{ кДж}$ теплоты:

$n_2(CO_2) = \frac{Q_2}{Q_{моль}} = \frac{157.4 \text{ кДж}}{393.5 \text{ кДж/моль}} = 0.4 \text{ моль}$.

2. Объем одного моля любого газа при нормальных условиях (н. у.) составляет молярный объем $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$. Рассчитаем объем образовавшегося углекислого газа:

$V(CO_2) = n_2(CO_2) \times V_m = 0.4 \text{ моль} \times 22.4 \frac{\text{л}}{\text{моль}} = 8.96 \text{ л}$.

Ответ: образовалось 8,96 л углекислого газа.