化学反应热实验的过程分析及焓变计算

水物 )的水合热为 108. 95 kJ ·mol- 1 ,则每 mol该
水合物脱去全部结晶水时 ,吸收的热量为 108. 85
kJ。根据反应进度概念
,前面计算得到的
Δ r
θ
Hm
=
166. 55 kJ ·mol- 1 , 可指每消耗 1 mol氢氧化钡
(八水物 )时吸收热量 166. 55 kJ。由此可见 ,脱弃
手册 [ 7 ]查得 :
Δ f
θ
Gm
= - 811. 02 - 2 ( 16. 50 )
- 10 ( 237. 19)
+ 2 (203. 11) + 2795. 25
= - 14. 45 kJ·mol- 1 < 0
可见 ,该固相反应为自发过程 。
— 31 —
表 2 相关固态 、液态和气态物质的热力学数据
关键词 :化学反应热 ;键能 ;过程分析 ;焓变 中图分类号 : G642 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 - 6983 (2008) 03 - 0030 - 03
Ana lysis on the process and com puta tion of en tha lpy increm en t in chem ica l reaction hea t exper im en t
为 37. 2 g /100 g水 ; Ba (OH ) 2 ·8H2 O 为 3. 89 g / 100 水 g [ 6 ]686 ) ,氯化铵与氢氧化钡晶粉发生液固
相反应并生成有水 ,又促进氯化铵晶粉的溶解及
相应的液固相反应 。
( 1 )氢氧化钡晶粉与氯化铵晶粉的固相反应
反应 (1)的吉布斯自由能变和焓变计算 。从
有的 3～4滴水结成冰 ,并且玻片与杯底粘着 。以
此显示化学反应为吸热过程 。
相配套的教师教学用书 [ 1 ]28指出 :“由于是固
相反应 ,一定要立即用玻璃棒快速搅拌混合物 ,以
使它们充分接触并起反应 :
Ba (OH)2 ·8H2O +2NH4 Cl =BaCl2 +2NH3 +10H2O (1) 该反应有水生成 ,因此反应混合物渐成糊
( kJ·mol- 1 )
a ×103
b ×106 c ×109
C2 H6 (气 ) - 84. 667
24. 088
733. 181 - 24. 226
C2 H4 (气 ) 52. 292
47. 405 510. 835 - 158. 700
H2 (气 )
0
121. 699
- 3. 502 8. 423
Δ r
θ
Hm
= 136.
96 及 Δa、Δb 和 Δc 值 代 入
Δ r
Hθ973的积分式
,计算得
Δ r
Hθ 973
= 136.
96
kJ ·mo l- 1
+ 28.
43
kJ ·
mol- 1
= 165. 39 kJ·mol- 1
在 973 K温度下 ,上述乙烷裂解反应的吸收
热量为 165. 39 kJ·mol- 1 。
物质 Ba (OH) 2 ·8H2O (固 )
Δ f
Gθm
- 2795. 25
Δ f
Hθm
- 3344. 58
NH4 Cl(固 )
- 203. 11
- 316. 65
BaCl2 (固 )
- 811. 02
- 858. 75
NH3 (气 )
- 16. 50
- 46. 14
H2O (液 )
- 237. 19
- 286. 03
Δf
θ
Hm
= - 858. 75 - 2 ( 46. 14)
- 10 ( 286. 03)
+ 3344. 58 + 2 (316. 65)
= 166. 55 kJ·mol- 1
此反应是吸热反应 ,吸收的热量为 166. 55 kJ
·mo l- 1 。
由于实验是在室温条件下进行的 ,其化学反
结晶水引起的吸热量占总吸热量的三分之二左
右 。这也许是设计实验时选择该反应物的考虑 。
( 2 )氯化铵晶体的溶解及相应的液固相反应
氯化铵晶体易溶于反应 ( 1 )生成的水中 ,且
吸收热量 :
NH4 C l =NH4+ + C l-
(2)
继而发生相应的液固相反应 :
B a (OH ) 2 ·8H2 O + 2NH4 C1 = B aCl2 + 2NH3
状 。”
在一般条件下 ,固相反应是较难 、较慢的 。
如 ,单体的固相聚合 [ 4 ]435 。顾及单体和聚合
物的热稳定性问题 ,常温下为固体的有的单体 ,可
采取在熔点以下的温度条件下 ,借超声波或辐射
能引发固相聚合 ,但反应速度慢 。
又如 ,用磷酸盐矿石 、硅石 (助熔剂 )和焦炭
等固体原料 (已破碎 )在电炉里的制磷过程 ,是在
3收稿日期 : 2007 - 07 - 27 作者简介 :陈明元 (1943 - ) ,男 ,教授 ,主要从事化工教学与研究 。
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述乙烷裂解的反应热 。从《大学化学手册 》[ 2 ]797
查得的数据见表 1。
表 1 几种气体的热力学资料
物质
Δ f
Hmθ
CP = a + bT + cT2 ( kJ·k - 1 mol- 1 )
2 高中化学第一册 [实验 1 4 ] [ 3 ]19的过程分析及焓变计算
实验用约 20 g已研磨成粉末的氢氧化钡晶
体 [Ba (OH ) 2 ·8 H2 O ]与约 10 g氯化铵 (NH4 C l) 晶体在小烧杯里快速搅拌 、混合 ,发生反应和吸
热 。可观察到与小烧杯底接触的玻璃片上预先滴
10 - 3
= 145. 016 ×10 - 3
Δb = ( 510. 835– 3. 502– 733. 187) ×
10 - 6
= - 225. 854 ×10 - 6
Δc = ( - 158. 700 + 8. 423 + 24. 226 ) ×
10 - 9
= 91. 949 ×10 - 9
将
摘要 :高中化学教师教学用书以乙烷裂解为乙烯和氢气为例 ,估算化学反应热 。但键能数据的来源很有 限 ,而物质的焓资料较丰富易得 ,况且 ,化学反应中常伴随有诸如气体解吸 、盐的溶解等物理变化过程 ,因此 , 用求反应系统的焓变来计算化学反应热 ,则较为容易且周详 。这里 ,用焓变计算了乙烷高温裂解的反应热 。 并以高中化学第一册 [实验 1 - 4 ]为例做过程分析及焓变计算 ,从计算结果可知 ,该化学反应实验的吸热量很 大 ,而且主要来自反应时氢氧化钡晶粉脱弃结晶水所引起的强烈吸热 。
1 键能数据估算反应热的有限 性和焓变计算的应用
高中化学教师教学用书 [ 1 中 ]27 ,以乙烷裂解 为乙烯和氢气的气相反应 ( C2 H6 = C2 H4 + H2 )为 例提出用化学反应中化学键的改变和键能数据估 算反应热 (ΔH) 。
∑ ∑ ΔH = E (反应物 ) - E (生成物 )
Δr Hmθ = 52. 292 + 0 - ( - 84. 667 ) = 136. 96
kJ ·mo l- 1
298 K温度下乙烷裂解反应吸收的热量为
136. 96 kJ ·mol- 1 。
实际上 ,烃类是在 700 ℃以上的高温下裂解
的 ,在此 ,试求在 973 K温度下上述乙烷裂解的反
应热 。
应热理应与本计算 (温度 298 K)的结果相近 。从
计算值可见 ,反应过程吸收的热量是很大的 ,与前
面计算的乙烷在 700 ℃下裂解的吸热量相当 。这
正是与小烧杯底接触的玻璃片上水滴结冰的条
件。
应该注意到 ,在氢氧化钡 (八水物 )晶粉与氯
化铵晶粉反应的时候 ,前者脱弃了结晶水 ,并且伴
随有强吸热效应 。查手册 [ 2 ]815可知 ,氢氧化钡 (八
借电能把混合配料加热到 1300 ℃～1500 ℃的高
温条件下 ,磷酸盐和硅石的熔融混合物与炽热的
焦炭 (没 有 固 定 熔 点 ) 进 行 的 液 固 相 反 应 过
程 。 [ 5 ] 220
实验 1 - 4的反应过程应包括氢氧化钡晶体
粉末与氯化铵晶体粉末的固相反应并生成有水 ;
氯化铵晶体粉末溶于水 (20 ℃时氯化铵的溶解度
+ 10H2 O
(3)
式 (2) +式 (3) =式 (1)
焓是状态函数 ,一个反应 (变化 )系统的焓变
只与其初态及终态有关 ,而与途径无关 。所以 ,虽
然氯化铵溶解时已有吸热 ,但全过程的总吸收热
量与根据固相反应式
( 1 )计算所得的
Δ r
θ
Hm
相同
,
为 166. 55 kJ·mol- 1 。
但是 ,氯化铵的溶解及相应的液固相反应过
第21090卷8年第3
3期 月
Jou
rna
l
of
贵州教育学院学报 (自然科学 ) Guizhou Education Institute (Natura
l
Sc ience)
Vol. 19. No. 3 M ar. 2008
3
化学反应热实验的过程分析及焓变计算
陈明元 ,斯丽芳
(贵州教育学院化学系 ,贵州 贵阳 550003)
= [2E (C - H) + E (C - C) ] - [ E (C = C) + E (H - H) ] = (2 ×414. 4 + 347. 4) kJ·mol- 1 - (615. 3 + 435. 3) kJ·mol- 1
= 125. 6 kJ·mol- 1 该反应是吸热反应 ,吸收的热量为 125. 6 kJ ·mo l- 1 。 在有关手册中 ,化学键能的数据是很有限的 , 相对于繁多的化学反应 ,用键能数据估算反应热 的方法其有限性明显可见 。而在有关的手册或图 表中 ,各种状态 (固 、气 、液 、溶液 )下物质的焓值 则较为丰富易得 ,有时 ,还有公式和资料可供人们 从标准条件 (通常为 1atm 298 K)下物质的焓值 计算出不同温度下的焓变 。所以 ,用求反应系统 的焓变来计算化学反应热 ,较为方便和周详 。 这里 ,先用求焓变计算 1pθ, 298 K条件下上
程的速度都要比固相反应 (虽然是晶体粉末间反
应 )要快 。这样 ,教师教学用书指出的要立即用
玻璃棒快速搅拌反应混合物 ,这不仅是固相反应
还是其中液固相反应的需要 ,同时 ,也可加快混合
物料向杯底吸收热量的热量传递过程 [ 1 ]26 。
参考文献 :
[ 1 ]人民教育出版社化学室. 全日制普通高级中学 (必修 ) 化学第一册教师教学用书 [M ]. 北京 : 人民教育出版 社 , 2003.
CHEN M ing2yuan, S I L i2fang
(1. Department of Chem istry, Guizhou Education Institute, Guiyang, Guizhou, 550003 China) Abstract:App lying enthalpy date to the computation of chem ical reaction heat w ill be much more convenient and comp rehensive if date of bond energy is used. The article analyses the p rocess in the experiment( experiment124, book one) in high school chem istry and computation of enthalpy increment based on the experiment. The result illustrates that chem ical reaction in the experiment is a strong heat2absorbing reaction. Moreover, the heat results p rimarily from the strong heat absorp tion caused from the barium hydroxide abandons crystal water in the reaction. Key words: chem ical reaction heat; analysis of p rocess; enthalpy increment
Δ r
θ
H973
=Δr
θ
Hm
+
∫927938ΔCP D T
其中 ΔCP =Δa +ΔbT +ΔcT2 代入上式 ,积分得
Δ r
θ
H973
=Δr
θ
Hm
+Δa ( 973 -
298 )
+Δb ( 9732 2
-
2982 ) +Δc ( 9733 - 2983 ) 3
其中Δa = ( 47. 4wk.baidu.com5 + 121. 699 - 24. 088 ) ×