2.2   Obliczenia termochemiczne

Obliczenia termochemiczne dotyczą ustalenia efektów cieplnych reakcji chemicznych. Efekty cieplne reakcji chemicznych prowadzonych w warunkach stałego ciśnienia są równe zmianie entalpii układu H, a prowadzone w warunkach stałej objętości energii wewnętrznej U. Obliczenia prowadzi się w oparciu o prawo Hessa wykorzystując standardowe entalpie tworzenia zamieszczone w tabeli 1.

Przykład 18.

Obliczyć standardową entalpię reakcji spalania etanu.

Rozwiązanie.

W zadaniu mowa jest o reakcji:

Zgodnie z prawem Hessa efekt cieplny reakcji spalania metanu pod stałym ciśnieniem (entalpia reakcji) nie zależy od drogi przemiany, a jedynie od stanu początkowego i końcowego układu. Stąd reakcję spalania można przeprowadzić na innej drodze, a efekt cieplny reakcji będzie ten sam. Dogodnym sposobem przeprowadzenia reakcji będzie rozkład substratów reakcji na pierwiastki i synteza produktów reakcji z pierwiastków. Należy pamiętać, że entalpia rozkładu związku chemicznego jest równa, co do wartości bezwzględnej entalpii tworzenia, a przeciwna, co do znaku. Zatem można zapisać trzy etapy:

1.      rozkład 1 mola etanu na pierwiastki; entalpia tworzenia etanu wynosi –84,60 kJ/mol

2.      synteza 2 moli dwutlenku węgla z węgla i tlenu; entalpia tworzenia CO₂ wynosi kJ/mol

3.      synteza 3 moli wody w stanie pary; entalpia tworzenia H₂O_(g) = -241,60 kJ/mol

Dodając równania stronami wraz z entalpiami oraz redukując wyrażenia podobne otrzyma się w wyniku reakcję:

Spalaniu 1 mola  etanu towarzyszy entalpia DH_r = -1426,46 kJ. Znak minus oznacza, że układ traci energię, a więc jest to reakcja egzotermiczna.

Identyczny wynik uzyskuje się obliczając entalpię reakcji ze wzoru 2-5:

w którym DH_j i DH_i są entalpiami tworzenia substratów i produktów reakcji.

Obliczona entalpia –1426,46 kJ odnosi się do 1 mola etanu czyli wynosi –1426,46 kJ/mol

Odpowiedź

Standardowa entalpia spalania etanu wynosi –1426,46 kJ /mol

Przykład 19.

Obliczyć entalpię spalania 10,0 dm³ etynu (acetylen) odmierzonych w warunkach standardowych znając standardowe entalpie tworzenia:

etynu ,

dwutlenku węgla ,

wody .

Rozwiązanie.

Etyn spala się w tlenie zgodnie z równaniem reakcji

Entalpie reakcji można wyliczyć ze wzoru 2-5

Obliczona standardowa entalpia reakcji spalania odnosi się, zgodnie z zapisem reakcji, do 1 mola etynu. Traktując etyn jako gaz doskonały można obliczyć z prawa Clapeyrona ilość moli zawarte w 10,0 dm³ etynu odmierzonych w warunkach standardowych T = 298 K, p = 101 325 Pa.

Efekt cieplny spalania 0,41 mola etynu równy jest 0,41 mol*(-1254,37 kJ/mol) = -514,29 kJ. Znak minus świadczy o tym, że reakcja ma charakter egzotermiczny.

Odpowiedź

Ciepło spalania 10 dm³ etynu wynosi -514,29 kJ.

Przykład 20

Obliczyć standardową entalpię tworzenia cementytu  znając entalpię reakcji:

Rozwiązanie

W tabeli 1 podano standardowe entalpie tworzenia tlenku żelaza(III) i dwutlenku węgla. Wynoszą one odpowiednio –822,2 kJ/mol oraz –393,13 kJ/mol. Nieznaną wartość standardowej entalpii tworzenia cementytu oznaczoną  można obliczyć stosując prawo Hessa:

Stąd

Odpowiedź

Standardowa entalpia tworzenia cementytu wynosi 20,90 kJ/mol

 W praktyce często charakteryzuje się paliwa za pomocą wartości opałowej. Tym terminem określa się efekt cieplny  reakcji spalania jednostkowej ilości paliwa (1 kg dla paliw stałych i ciekłych, 1 m³ w warunkach normalnych dla paliw gazowych). Wartość odnosi do temperatury 298 K, ale przyjmuje się, że para wodna nie uległa skropleniu.

 Przykład 21.

Oblicz wartość opałową metanu.

Rozwiązanie.

Wartość opałowa metanu, to standardowa entalpia spalania 1 m³ (warunki normalne) metanu. Reakcja spalania metanu przebiega zgodnie z równaniem

Standardową entalpię spalania liczy się ze wzoru:

dla 1 mola metanu

Standardowa entalpia spalania metanu wynosi –801,55 kJ/mol. W 1 m³ w warunkach normalnych zawarte jest moli/m³ metanu. Zatem wartość opałowa wynosi –801,55 kJ/mol* 44,615 mol/m³ = -35761,15 kJ/m³. Znak minus stający przed wynikiem informuje, że podczas reakcji układ stracił 35761,15 kJ energii.

Odpowiedź

Wartość opałowa metanu wynosi ok. -35,8 MJ*m^-3.

Uwaga! W opracowaniach technicznych niekiedy znak minus jest opuszczany