Θερμοχημεία

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Σύστημα είναι το μέρος του υλικού κόσμου που μελετάμε.

Περιβάλλον είναι το υπόλοιπο μέρος του υλικού κόσμου, το οποίο βρίσκεται εκτός του συστήματος.

Το σύστημα περιορίζεται συνήθως από τα τοιχώματά του, τα οποία το διαχωρίζουν από το περιβάλλον.

Σε μια χημική αντίδραση, το σύστημα είναι τα αντιδρώντα και προϊόντα της αντίδρασης.

Θερμότητα είναι η ενέργεια που ανταλλάσσεται μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος λόγω διαφοράς θερμοκρασίας.

Θερμοκρασία είναι το μέτρο κίνησης των δομικών μονάδων της ύλης.

Μονάδες θερμότητας

Η θερμότητα, ως μορφή ενέργειας, εκφράζεται με τις εξής μονάδες:

·         Joule: η θεμελιώδης μονάδα στο S.I.

·         cal ή μικρή θερμίδα: το 1 cal ορίζεται ως το ποσό θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 g H₂O κατά 1 ^oC (από τους 14,5 ^oC στους 15,5 ^oC). Χρησιμοποιείται επίσης το 1 kcal ή μεγάλη θερμίδα (1 kcal = 1000 cal).

Ισχύει:   1 cal = 4,184 J

ΕΝΘΑΛΠΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Ένα χημικό σύστημα περικλείει ενέργεια η οποία ονομάζεται εσωτερική ενέργεια (Ε). Η εσωτερική ενέργεια είναι η ολική ενέργεια του συστήματος και περιλαμβάνει την κινητική ενέργεια όλων των σωματιδίων (ατόμων, ιόντων και μορίων) και τη δυναμική ενέργεια που οφείλεται στις δυνάμεις των χημικών δεσμών μεταξύ των σωματιδίων του συστήματος.

Ενθαλπία ονομάζεται η ολική ενέργεια ενός συστήματος όταν το σύστημα βρίσκεται υπό σταθερή πίεση.

Η ενθαλπία ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα των ενθαλπιών των συστατικών του συστήματος. Για παράδειγμα, αν το σύστημα αποτελείται από τις ουσίες Α και Β, η ενθαλπία του είναι:

Η_{συστήματος} =  Η_Α  +  Η_Β

ΠΡΟΣΟΧΗ!  Στην πράξη δε γίνεται να μετρήσουμε την ενθαλπία ενός συστήματος. Αυτό που υπολογίζουμε είναι η μεταβολή της ενθαλπίας ΔΗ.

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ

1.                                 Η ενθαλπία είναι συνάρτηση κατάστασης του συστήματος (καταστατική ιδιότητα). Καταστατική ιδιότητα ενός συστήματος είναι το μέγεθος εκείνο το οποίο σε καθορισμένη κατάσταση του συστήματος έχει καθορισμένη τιμή, ανεξάρτητα με τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα έφτασε στην κατάσταση αυτή.

2.                                 Η ενθαλπία εξαρτάται από την ποσότητα των ουσιών που αποτελούν το σύστημα. Για παράδειγμα, 2 mol CH_4(g) έχουν διπλάσια ενθαλπία από 1 mol CH_4(g) σε καθορισμένη κατάσταση.  

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (ΔΗ)

ΟΡΙΖΕΤΑΙ ΩΣ:                Η διαφορά των ενθαλπιών των προϊόντων και αντιδρώντων σε μια αντίδραση ΔΗ = Η_πρ. – Η_αντ.

ΕΙΝΑΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΙΣΗ:   Με τη θερμότητα Q που εκλύεται ή απορροφάται σε μια χημική αντίδραση όταν η πίεση παραμένει σταθερή.

ΜΟΝΑΔΕΣ:                         kJ/mol ή kcal/mol

ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ:                     i)   Από τη φύση τω αντιδρώντων.

                              ii)   Από τη φυσική κατάσταση αντιδρώντων και προϊόντων.

                              iii)  Από τις ποσότητες των αντιδρώντων.

                              iv)  Από τις συνθήκες στις οποίες πραγματοποιείται η αντίδραση (P, T).

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ

Προσοχή στo εξής σημείο:

Οι μεταβολές ενθαλπίας (ΔΗ) αναφέρονται στο εξεταζόμενο σύστημα των σωμάτων που αντιδρούν και παράγονται. Οι υπολογισμοί τους πρέπει να γίνονται αφαιρώντας την αρχική από την τελική τιμή που χαρακτηρίζει το σύστημα.

Η θερμότητα προσδιορίζεται με βάση το περιβάλλον.

Επομένως, τα πρόσημα των ΔΗ και Q θα είναι αντίθετα.

Παράδειγμα

Έστω μια αντίδραση στην οποία τα προϊόντα έχουν μικρότερη ενθαλπία από εκείνη των αντιδρώντων:           

ΔΗ = Η_τελ. – Η_αρχ. = H_πρ. – H_αντ. < 0

·         Η σχετική ενέργεια του συστήματος ελαττώθηκε,

·         προκαλώντας απελευθέρωση ίσου ποσού θερμότητας στο περιβάλλον, επομένως για το περιβάλλον Q > 0.

Συνεπώς,    όταν    ΔΗ < 0    ⇒    Q > 0,    ενώ

                   όταν    ΔΗ > 0    ⇒    Q < 0.

Ασκήσεις θεωρίας - ερωτήσεις κρίσεως

5.2 Να σχεδιάσετε τα διαγράμματα μεταβολής ενθαλπίας για τις παρακάτω αντιδράσεις:

α)  C_(s)  +  O_2(g)  →  CO_2(g),   ΔΗ = – 394 kJ

β)  N_2(g)  +  O_2(g)  →  2NO_(g),   ΔΗ = 180 kJ

γ)  H_2(g)  +  Cl_2(g)  →  2HCl_(g),   ΔΗ = – 184 kJ

Στη συνέχεια να συγκρίνετε και να σχολιάσετε τη σταθερότητα των αντιδρώντων και των προϊόντων σε κάθε αντίδραση.

5.9 Δίνονται οι θερμοχημικές εξισώσεις:

Η₂   +   ½ Ο₂    →    Η₂Ο,      ΔΗ₁

Η₂   +   ½ Ο₂    →    Η₂Ο,      ΔΗ₂

Να αναφέρετε μερικούς λόγους για τους οποίους ισχύει ότι ΔΗ₁ ≠ ΔΗ₂.

5.17 Να συγκρίνετε την ενθαλπία των παρακάτω δύο αντιδράσεων, οι οποίες πραγματοποιούνται στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.

CH_4(g)  +  2O_2(g)  →  CO_2(g)  +  2H₂O_(g),    ΔΗ₁

CH_4(g)  +  2O_2(g)  →  CO_2(g)  +  2H₂O_(l),    ΔΗ₂

5.21 Θεωρούμε ότι η αμόλυβδη βενζίνη αποτελείται μόνο από ισομερή του οκτανίου (C₈H₁₈). Να συγκρίνετε την ενθαλπία καύσης της υγρής βενζίνης με την ενθαλπία καύσης των ατμών της βενζίνης, σε πρότυπη κατάσταση.

C₈H_18(l)  +  25/2 O_2(g)   →   8CO_2(g)  +  9H₂O_(l)

C₈H_18(g)  +  25/2 O_2(g)   →   8CO_2(g)  +  9H₂O_(l)

5.22 Ένα μίγμα που αποτελείται από 2 g H_2(g) και 16 g O_2(g), αντιδρά ποσοτικά σε πρότυπη κατάσταση και σχηματίζει Η₂Ο_(g), ενώ ελευθερώνονται 242 kJ.

α)  Ποια είναι η μάζα των υδρατμών που σχηματίζονται;

β)  Ποια είναι η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του Η₂Ο_(g);

γ)  Να συγκρίνετε την ενθαλπία των αντιδρώντων με την ενθαλπία του προϊόντος.

5.23  Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση:

N_2(g)  +  3H_2(g)   →   2NH_3(g),     ΔΗ^ο = – 92 kJ

Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές.

α)  Ο σχηματισμός της ΝΗ₃ είναι ενδόθερμη αντίδραση.

β)  Η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού της ΝΗ_3(g) είναι ΔΗ_f^ο = –92 kJ/mol. 

γ) Η ενθαλπία του προϊόντος (ΝΗ₃) είναι μικρότερη από την ενθαλπία των αντιδρώντων (Ν₂ και Η₂).

δ) Για να διασπαστεί 1 mol NH₃, σε πρότυπη κατάσταση, απαιτείται θερμότητα ίση με 46 kJ.

Προβλήματα

Για την επίλυση των παρακάτω προβλημάτων δίνονται: A_r(C) = 12, A_r(N) = 14, A_r(H) = 1, A_r(O) = 16, A_r(Fe) = 56, A_r(Ca) = 40, A_r(S) = 32, A_r(P) = 31.

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ 1η

ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

5.24 Να υπολογίσετε τη μεταβολή της ενθαλπίας κατά την καύση 2,4 g άνθρακα. Η ενθαλπία καύσης του C είναι –393 kJ/mol.         

(απ.: 78,6 kJ)

5.25 112 g Ν₂ αντιδρούν πλήρως με Η₂ και σχηματίζουν ΝΗ₃. Να υπολογιστεί το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται και η ποσότητα της ΝΗ₃ που σχηματίζεται.

Δίνεται η ενθαλπία σχηματισμού της ΝΗ₃: ΔΗ_f = – 46 kJ/mol.

(απ.: 136 g)

5.26  Η ενθαλπία καύσης του ακετυλενίου (C₂H₂) είναι ΔΗ_c = – 1300 kJ/mol. Πόσα g C₂H₂ πρέπει να καούν, ώστε να ελευθερωθεί ποσό θερμότητας ίσο με 260 kJ; Ποιος όγκος O₂, μετρημένος σε STP, απαιτείται για την καύση;

(απ.: 11,2 L)

5.27 5 L υδατικού διαλύματος ΗΝΟ₃ 0,04 Μ εξουδετερώνονται πλήρως με υδατικό διάλυμα NaOH 0,1 M. Να υπολογιστούν:

α)  ο όγκος του διαλύματος NaOH που καταναλώθηκε,

β)  το ποσό θερμότητας που εκλύεται κατά την εξουδετέρωση.

Δίνεται η πρότυπη ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση: ΔΗ_n^o = – 57 kJ/mol.

(απ.: 11,4 kJ)  

5.28  Κατά την καύση ορισμένης ποσότητας προπανίου (C₃H₈):

C₃H₈  +  5O₂   →   3CO₂  +  4H₂O    + q

εκλύονται 53 kcal ενώ παράγονται 3,69 L CO₂ μετρημένα σε 27 ^oC και πίεση 2 atm. Να υπολογιστεί η ενθαλπία καύσης του προπανίου σε kJ/mol.

Δίνεται R = 0,082 Lּatm/molּK.

(απ.: ΔΗ_c = – 2215,4 kJ/mol)

5.29 Ποια είναι η μάζα του άνθρακα που καιγόμενη συνοδεύεται από μεταβολή ενθαλπίας κατά –117,9 kJ;

Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση:  C  +  O₂  →   CO₂,  ΔΗ_c = – 393,5 kJ

(απ.: 12,3 g)

5.30 Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση:

N₂  +  3H₂   →   2NH₃,    ΔΗ = – 92 kJ

Να υπολογιστεί ο όγκος του Η₂ σε STP που καταναλώνεται και η μάζα της ΝΗ₃ που παράγεται, όταν η αντίδραση συνοδεύεται από μεταβολή ενθαλπίας – 27 kJ.

(απ.: 10,2 g NH₃)

5.31 Ποιος όγκος του HCl, μετρημένος σε πίεση 2 atm και θερμοκρασία 227 ^oC, απαιτεί για τη διάσπαση στα στοιχεία του 4,5 kJ;

Δίνεται η ενθαλπία σχηματισμού του HCl: – 90 kJ/mol.

(απ.: 2,05 L)

5.32 Ορισμένη ποσότητα υγρής προπανόλης (C₃H₇OH) καίγεται πλήρως με Ο₂, οπότε ελευθερώνονται 320 kcal. Να υπολογιστούν:

α)  ο όγκος της υγρής προπανόλης,

β)  ο όγκος του Ο₂ που απαιτείται για την καύση, μετρημένος σε STP.

Δίνονται για την C₃H₇OH_(l): ΔΗ_c = – 480 kcal/mol,  ρ = 0,8 g/mL.

(απ.: V_O2 = 67,2 L)

5.33  Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση: 

P_4(s)  +  5O_2(g)   →   2P₂O_5(s),    ΔΗ = –3040 kJ

α)  Ποια είναι η ενθαλπία σχηματισμού του P₂O₅;

β)  Να υπολογίσετε το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται κατά την πλήρη καύση 6,2 g P₄.

 (απ.: 152 kJ)

5.34 Η ενθαλπία σχηματισμού του Fe₂O₃ είναι ΔΗ_f = – 5 kJ/g.

α) Να γραφεί η θερμοχημική εξίσωση της αντίδρασης σχηματισμού του Fe₂O₃.

β) Ορισμένη ποσότητα Fe αντιδρά πλήρως με Ο₂, οπότε σχηματίζεται Fe₂O₃ και ελευθερώνονται ταυτόχρονα 200 kJ. Να υπολογιστεί η ποσότητα του Fe που αντέδρασε.

(απ.: 28 g)

5.35 2 L υδατικού διαλύματος ΗΝΟ₃ 0,05 Μ εξουδετερώνονται πλήρως με υδατικό διάλυμα NaOH 0,2 M. Να υπολογιστούν:

α)  Ο όγκος του διαλύματος NaOH που απαιτείται.

β)  Το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται.

Δίνεται η ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση: ΔΗ_n = – 57 kJ/mol.

(απ.: 500 mL, 5,7 kJ)

5.36 4 L διαλύματος οξέος ΗΑ 0,1 Μ εξουδετερώνονται πλήρως με υδατικό διάλυμα NaOH 0,05 M, οπότε εκλύεται ποσό θερμότητας 18 kJ.

α)  Ποιος όγκος διαλύματος NaOH καταναλώθηκε;

β)  Ποια είναι η ενθαλπία της αντίδρασης:  HA  +  ΝaΟΗ   →   ΝaΑ  +  Η₂Ο

γ)  Να εξηγήσετε αν το οξύ HA είναι ισχυρό ή ασθενές.

Δίνεται η ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση: ΔΗ_n = –57 kJ/mol.

(απ.: V_NaOH = 8 L, ΔΗ = – 45 kJ)

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ 2η

ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΕΞΩΘΕΡΜΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ

ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΔΟΘΕΡΜΩΝ

5.37 Να βρεθεί ο όγκος του μεθανίου, μετρημένος σε πίεση 2 atm και θερμοκρασία 27 ^oC, ο οποίος πρέπει να καεί, ώστε το ποσό θερμότητας που εκλύεται να χρησιμοποιηθεί για την πλήρη διάσπαση 200 g CaCO_3(s) σύμφωνα με τη θερμοχημική εξίσωση:

CaCO_3(s)   →   CaO_(s)  +  CO_2(g),    ΔΗ = 178 kJ

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του μεθανίου: ΔΗ_c = – 890 kJ/mol.

(απ.: 4,92 L)

5.38 Σε κενό δοχείο όγκου 50 L εισάγεται SO_3(g), το οποίο ασκεί πίεση 4,1 atm στους 227 ^oC. Πόσα g Η₂ πρέπει να καούν, ώστε το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται από την καύση να χρησιμοποιηθεί για την πλήρη διάσπαση της ποσότητας του SO₃ σύμφωνα με τη θερμοχημική εξίσωση:

2SO_3(g)   →   2SO_2(g)  +  O_2(g),    ΔH = 196 kJ

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του Η₂: ΔΗ_c = – 280 kJ/mol. 

(απ.: 3,5 g)

5.39  4,8 g άνθρακα καίγονται πλήρως και το ποσό θερμότητας που εκλύεται χρησιμοποιείται για τη διάσπαση ορισμένης ποσότητας της ένωσης Α σύμφωνα με τη θερμοχημική εξίσωση:

2A_(g)   →   2B_(g)  +  Γ_(g),     ΔΗ = 78 kJ

Αν κατά την καύση υπάρχουν απώλειες θερμότητας 25%, να υπολογίσετε την ποσότητα της ένωσης Α που διασπάται.

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του C: ΔH_c = – 390 kJ/mol.

(απ.: 3 mol)

5.40  Ποσότητα CH₄ ίση με 15 L, μετρημένη σε πίεση 0,82 atm και θερμοκρασία 27 ^oC, καίγεται πλήρως.

α)  Να υπολογιστεί το ποσό θερμότητας που εκλύεται κατά την καύση.

β) Το ποσό θερμότητας που εκλύεται χρησιμοποιείται για τη σύνθεση 52 g C₂H₂ από τα στοιχεία του. Να υπολογιστεί η ενθαλπία σχηματισμού του C₂H₂.

Δίνεται για το CH₄: ΔΗ_c = – 900 kJ/mol.

(απ.: q = 450 kJ, ΔΗ_f = 225 kJ/mol)

5.41  5,6 L CH₄, μετρημένα σε STP, καίγονται πλήρως.

α)  Να υπολογιστεί το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται από την αντίδραση καύσης.

β) Το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται χρησιμοποιείται για τη σύνθεση ΝΟ από τα συστατικά του. Να υπολογιστεί η μάζα του ΝΟ που παράγεται, αν γνωρίζουμε ότι κατά την καύση του CH₄ υπάρχουν απώλειες θερμότητας 20%.

Δίνονται: η ενθαλπία καύσης του CΗ₄: ΔΗ_c = –900 kJ/mol, η ενθαλπία σχηματισμού του ΝΟ: ΔΗ_f = 90 kJ/mol.

(απ.: 60 g NO)

5.42 4 g CH₄ καίγονται πλήρως και η εκλυόμενη θερμότητα αξιοποιείται για τη διάσπαση SO₂ στα στοιχεία του. Ποια η μάζα του S που παράγεται;

Οι ενθαλπίες καύσης του CH₄ και του S είναι αντίστοιχα –891 και –297 kJ/mol. Οι αντιδράσεις έγιναν υπό συνθήκες σταθερής πίεσης και θερμοκρασίας.

(απ.: 24 g S)

5.43 Ορισμένη ποσότητα προπανίου (C₃H₈) διασπάται πλήρως σε άνθρακα και υδρογόνο. Η θερμότητα που χρειάστηκε εξασφαλίστηκε από την τέλεια καύση 180 g C. Ποιος ο όγκος , σε STP, του προπανίου που διασπάστηκε;

Η ενθαλπία καύσης του C είναι –390 kJ/mol, ενώ η ενθαλπία σχηματισμού του προπανίου –104 kJ/mol. Οι αντιδράσεις έγιναν υπό συνθήκες σταθερής πίεσης και θερμοκρασίας.

(απ.: 1260 L)

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ 3η

ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ

5.44 3 g δείγματος άνθρακα καίγονται, οπότε ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 78 kJ. Να υπολογιστεί η % w/w περιεκτικότητα του δείγματος σε καθαρό άνθρακα, αν γνωρίζουμε ότι οι προσμίξεις του δείγματος δεν καίγονται.

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του C: ΔΗ_c = –390 kJ/mol, A_r(C) = 12.

(απ.: 80%) 

5.45  40 g δείγματος Fe αντιδρούν με υδρατμούς σύμφωνα με την εξίσωση: 

3Fe  +  4H₂O   →   Fe₃O₄  +  4H₂,    ΔΗ = – 150 kJ

Αν εκλύεται θερμότητα 30 kJ, να υπολογιστεί η καθαρότητα του δείγματος.

Δίνεται A_r(Fe) = 56.

(απ.: 84%)

5.46 Κατά την τέλεια καύση 5 g δείγματος άνθρακα πραγματοποιείται μείωση της ενθαλπίας του κατά 97,5 kJ. Να βρεθεί η καθαρότητα του άνθρακα αν είναι γνωστό ότι οι προσμίξεις του δεν καίγονται.

Η ενθαλπία καύσης του C είναι – 390 kJ/mol.

(απ.: 60%)

5.47 Όταν καίγονται 6,4 g δείγματος θείου, προκαλείται μεταβολή της ενθαλπίας κατά – 44,4 kJ. Να υπολογίσετε την καθαρότητα του δείγματος αν είναι γνωστό ότι οι προσμίξεις δεν καίγονται.

Η ενθαλπία καύσης του S είναι – 296 kJ/mol.

(απ.: 75%)

5.48 7 g δείγματος θείου καίγονται πλήρως, οπότε εκλύεται θερμότητα ίση με 58 kJ. Να υπολογιστεί η % καθαρότητα του δείγματος θείου.

Οι προσμίξεις του δείγματος είναι αδρανείς.

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του θείου: ΔΗ_c = – 290 kJ/mol.

(απ.: 91,4%)

5.49 Σε 200 g δείγματος Fe επιδρά περίσσεια HCl. Το εκλυόμενο αέριο αντιδρά πλήρως με C οπότε παράγεται CH₄ σε συνθήκες σταθερής πίεσης και θερμοκρασίας, ενώ εκλύονται 112,5 kJ. Ποια η καθαρότητα του Fe, αν η ενθαλπία σχηματισμού του CH₄ είναι – 75 kJ/mol;  

(απ.: 84%)

5.50  28 g δείγματος S καίγονται πλήρως σε κατάλληλη συσκευή. Αν κατά τη μέτρηση της θερμότητας, που βρίσκεται 186,48 kJ, παρατηρούνται απώλειες 10% επί της εκλυόμενης, να υπολογιστεί η καθαρότητα του θείου. Δίνεται ότι οι προσμίξεις του μίγματος δεν καίγονται, ενώ η ενθαλπία καύσης του S είναι – 296 kJ/mol. Η αντίδραση έγινε σε συνθήκες σταθερής πίεσης και θερμοκρασίας

(απ.: 80%)

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ 4η

ΕΝΑ ΑΝΤΙΔΡΩΝ ΒΡΙΣΚΕΤΑΙ ΣΕ ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ

5.51 Σε δοχείο εισάγονται ορισμένες ποσότητες δύο ουσιών Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση:         2A  +  Β  →   2Γ,   ΔΗ = 200 kJ.

Να υπολογίσετε το ποσό θερμότητας που απορροφάται αν οι αρχικές ποσότητες των ουσιών είναι:

α)  4 mol A και 3 mol B.

β)  8 mol A και 3 mol B.

γ)  5 mol A και 2,5 mol B.

5.52 Αέριο μίγμα που αποτελείται από 80 g H₂ και 80 g O₂, αναφλέγεται και σχηματίζει νερό:            2H_2(g)  +  O_2(g)   →   2H₂O_(l)

Να υπολογιστεί η μάζα του νερού που σχηματίζεται και το ποσό θερμότητας που ελευθερώνεται. Δίνεται η ενθαλπία σχηματισμού του Η₂Ο_(l): ΔΗ_f = – 286 kJ/mol.

(απ.: q = 1430 kJ)

5.53 Σε δοχείο διοχετεύουμε 1,5 mol NO και 0,9 mol O₂, τα οποία αντιδρούν σύμφωνα με τη χημική εξίσωση:

2NO_(g)  +  O_2(g)   →   2NO_2(g),    ΔΗ = – 110 kJ

Να υπολογιστεί το ποσό θερμότητας που εκλύεται κατά την αντίδραση.

(απ.: 82,5 kJ)

5.54 Σε 800 mL διαλύματος HCl 0,25 M προστίθενται 500 mL διαλύματος NaOH 0,5 M, οπότε ελευθερώνεται ποσό θερμότητας 11,4 kJ. Να υπολογίσετε: 

α)  τις ποσότητες των ουσιών στο τελικό διάλυμα,

β)  την ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση.

Δίνεται ότι το HCl και το NaOH είναι ισχυροί ηλεκτρολύτες.

(απ.: 0,05 mol NaOH - 0,2 mol NaCl)

5.55 3 L διαλύματος οξέος ΗΑ 0,2 Μ αναμιγνύονται με 2 L διαλύματος NaOH 0,25 M. Κατά την αντίδραση αυτή ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 20 kJ.

α) Να υπολογιστούν:

    i)   οι ποσότητες των ηλεκτρολυτών στο τελικό διάλυμα,

    ii)  η ενθαλπία εξουδετέρωσης του ΗΑ_(aq) με NaOH_(aq).

β) Να εξηγήσετε αν το ΗΑ είναι ισχυρό ή ασθενές οξύ.

(απ.: ΔΗ_n = – 40 kJ/mol)

5.56 Σε 500 mL διαλύματος NaOH 0,1 M προστίθενται 0,336 L SO₂, που μετρήθηκαν σε STP. Να υπολογιστεί η μεταβολή ενθαλπίας που συνοδεύει την αντίδραση. Η ενθαλπία εξουδετέρωσης (ΔΗ_n) του NaOH από το SO₂ είναι –40 kJ/mol OH‾.

(απ.: – 1,2 kJ)

5.57 Ορισμένη ποσότητα Al προστίθεται σε 100 mL διαλύματος HCl 0,2 M. Ποια η μεταβολή ενθαλπίας που συνοδεύει την αντίδραση, όταν το παραγόμενο διάλυμα απαιτεί για εξουδετέρωσή του 0,2 g NaOH;

Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση:

2Al  +  6HCl   →   2AlCl₃  +  3H₂,    ΔΗ = –1050 kJ

(απ.: – 2,625 kJ)

5.58  Ένα μίγμα H₂ και O₂ έχει όγκο 15,68 L, υπό STP. Με ανάφλεξη τα αέρια συστατικά του αντιδρούν και τα προϊόντα ψύχονται, ώστε να απομακρυνθούν οι υδρατμοί. Αν τελικά μένει αέριος όγκος 2,24 L, υπό STP, να υπολογιστούν:

α)  Η μεταβολή της ενθαλπίας του συστήματος κατά την καύση.

β)  Τα mol των συστατικών του μίγματος.

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του Η₂ ίση με – 286 kJ/mol.

[απ.: (α) –114,4 kJ,  (β) δύο περιπτώσεις: 0,5 - 0,2 mol  ή  0,4 - 0,3 για Η₂ - Ο₂ αντίστοιχα]

5.59 2,24 L N₂, υπό STP, φέρονται σε αντίδραση με 0,8 g H₂ προς παραγωγή αμμωνίας. Να υπολογίσετε τη μεταβολή της ενθαλπίας κατά την πραγματοποιούμενη αντίδραση.

Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση:  Ν₂  +  3Η₂   →   2ΝΗ₃,   ΔΗ = – 46 kJ

(απ.: – 4,6 kJ)

5.60 13,08 g Zn αντιδρούν με περίσσεια αραιού διαλύματος H₂SO₄ προς παραγωγή ZnSO₄ και Η₂. Το παραγόμενο Η₂ διοχετεύεται σε 10,65 g Cl₂ οπότε σχηματίζεται HCl, που απομακρύνεται. Όσο αέριο μένει φέρεται σε αντίδραση με μεγάλη ποσότητα Ι₂ με αποτέλεσμα τη μετατροπή του σε HI. Να βρεθεί η μάζα του σχηματιζόμενου ΗΙ και η συνολικά εκλυόμενη θερμότητα από τις αντιδράσεις σχηματισμού των δύο οξέων. Οι αντιδράσεις έγιναν υπό σταθερή πίεση και θερμοκρασία, ενώ οι ενθαλπίες σχηματισμού των HCl και ΗΙ είναι αντίστοιχα –92 και 26 kJ/mol.

(απ.: 12,8 g, 25 kJ)

5.61 Μίγμα H₂ και Cl₂, με όγκο 67,2 L υπό STP, φέρεται σε κατάλληλες συνθήκες ώστε να αντιδρούν τα συστατικά του με ποσοτικό τρόπο. Με δεδομένο ότι τα προϊόντα της αντίδρασης διοχετευόμενα σε διάλυμα βάσης συγκρατούνται πλήρως, να βρεθεί η μεταβολή της ενθαλπίας κατά την αντίδραση.  

Για το HCl η ενθαλπία σχηματισμού είναι –92 kJ/mol.

(απ.: – 276 kJ)

5.62 Η ενθαλπία καύσης του CH₄ είναι –890 kJ/mol. Ένα μίγμα αποτελούμενο από μεθάνιο και οξυγόνο βρίσκεται υπό πίεση 1,23 atm σε δοχείο 100 L στους 27 ^oC. Αν η μερική πίεση του Ο₂ είναι 0,861 atm, να υπολογιστεί η μεταβολή της ενθαλπίας που συνοδεύει την καύση του μίγματος. 

(απ.: 1335 kJ)

5.63 500 mL διαλύματος Ba(OH)₂ 0,2 Μ αναμιγνύονται με 100 mL διαλύματος HCl 0,5 M. Να υπολογιστούν:

α)  Oι ποσότητες των σωμάτων στο τελικό διάλυμα.

β)  Tο ποσό θερμότητας που εκλύεται.

γ)  H ενθαλπία της αντίδρασης εξουδετέρωσης του Ba(OH)₂ με HCl.

Δίνεται η ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση: ΔΗ_n = – 57 kJ/mol.

[απ.: (β) 2,85 kJ]

5.64 Σε 400 mL διαλύματος HCl 0,15 M προσθέτουμε ορισμένο όγκο διαλύματος NaOH 0,5 Μ, οπότε προκύπτει διάλυμα Α και ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 2,85 kJ. Να υπολογιστούν:

α)  ο όγκος του διαλύματος NaOH που προσθέσαμε,

β)  οι συγκεντρώσεις των σωμάτων που περιέχονται στο διάλυμα Α.

Δίνεται η ενθαλπία εξουδετέρωσης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση: ΔΗ_n = – 57 kJ/mol.

(απ.: V_NaOH = 100 mL, c_HCl = 0,02 M)

5.65 Ορισμένη ποσότητα C₃H_8(g) αναμιγνύεται με 24 g Ο₂ και το μίγμα αναφλέγεται, οπότε ελευθερώνεται ποσό θερμότητας 220 kJ. Να υπολογιστούν:

α)  Η ποσότητα του C₃H₈ που καίγεται.

β)  Η σύσταση των καυσαερίων μετά την καύση.

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του προπανίου: ΔΗ_c = – 2200 kJ/mol.

(απ.: 0,3 mol CO₂, 0,4 mol H₂O και 0,25 mol Ο₂)

5.66 Σε δοχείο περιέχονται 10 L CO και 3 L O₂, μετρημένα σε STP. Το μίγμα αναφλέγεται, οπότε ελευθερώνεται ποσό θερμότητας 13,4 kcal. Να υπολογίσετε:

α)  Τη μάζα του CO₂ που σχηματίζεται.

β)  Τη σύσταση σε L του αέριου μίγματος που υπάρχει τελικά στο δοχείο.

Δίνεται η ενθαλπία καύσης του CO: ΔΗ_c = – 67 kcal/mol.

(απ.: 8,8 g CO₂)

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ 5η

ΜΙΓΜΑΤΑ ΟΥΣΙΩΝ

5.67 4 g μίγματος C και S καίγονται πλήρως, οπότε εκλύεται ποσό θερμότητας ίσο με 93  kJ. Να υπολογιστούν:

α)  η σύσταση του μίγματος σε mol,

β)  η % w/w σύσταση του μίγματος.

Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης του C και του S:  ΔΗ_c = – 390 kJ/mol και ΔH_c = – 300 kJ/mol αντίστοιχα.

(απ.: 60% C - 40% S)

5.68  Στην ίδια θερμοκρασία πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις:

Α  +  Β   →   ΑΒ,    ΔΗ₁ = 10 kJ

Α  +  Γ   →   ΑΓ,    ΔΗ₁ = – 40 kJ

α) Με ποια αναλογία mol  πρέπει να περιέχονται τα Β και Γ σε μίγμα τους, ώστε κατά την αντίδραση με περίσσεια του Α να μην παρατηρείται θερμική μεταβολή;

β) Να βρεθεί η κατά βάρος σύσταση ενός άλλου μίγματος των Β και Γ, μάζας 22,8 g, όταν η πλήρης αντίδρασή του με το σώμα Α συνοδεύεται από αύξηση της ενθαλπίας του συστήματος κατά 1 kJ.

Δίνονται: M_r(B) = 40, M_r(Γ) = 28.

[απ.: (α) n_B/n_Γ = 4,  (β) 20 g B - 2,8 g Γ]

5.69 Αέριο μίγμα CH₄ και C₂H₆ που έχει όγκο 5,6 L, μετρημένο σε STP, καίγεται πλήρως, οπότε εκλύεται θερμότητα ίση με 290 kJ. Να υπολογιστεί η % v/v σύσταση του αέριου μίγματος CH₄ και C₂H₆.

Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης του CH₄ και του C₂H₆: ΔH_c = –900 kJ/mol και ΔΗ_c = – 1550 kJ/mol αντίστοιχα.

(απ.: 60% CΗ₄ - 40% C₂H₆)

5.70 Ένα μίγμα μεθανίου και αιθανίου περιέχει τα συστατικά του με αναλογία mol 2:1. Να υπολογιστεί ο όγκος του μίγματος, σε STP, που καιγόμενος σε συνθήκες σταθερής πίεσης και θερμοκρασίας εκλύει 78 kcal. Οι ενθαλπίες καύσης των δύο υδρογονανθράκων είναι –210 και –360 kcal/mol αντίστοιχα.

(απ.: 6,72 L)

5.71 12,8 g μίγματος CO και CH₄ καίγεται πλήρως με περίσσεια Ο₂. Αν η συνολική μεταβολή της ενθαλπίας υπολογίζεται – 202,2 kJ, να βρείτε την κατά βάρος σύσταση του μίγματος. Δίνονται οι θερμοχημικές αντιδράσεις: 

2CO  +  O₂   →   2CO₂,    ΔΗ₁ = – 566 kJ

CH₄  +  2O₂   →   CO₂   +  2H₂O,    ΔΗ₂ = – 890 kJ

(απ.: 11,2 g - 1,6 g)

5.72 Μίγμα αποτελούμενο από μεθάνιο και αιθάνιο, περιέχει τα συστατικά του με αναλογία mol 2:1. Να υπολογίσετε τη μεταβολή της ενθαλπίας κατά την καύση 3,69 L μίγματος, μετρημένα σε πίεση 2 atm και 27 ^οC, με το απαιτούμενο Ο₂.

Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης των CH₄ και C₂H₆ ίσες με –890 και –1560 kJ/mol.

(απ.: –334 kJ)

5.73 6 g μίγματος άνθρακα και θείου καίγονται πλήρως, οπότε ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 84 kJ. Ποια είναι η σύσταση του αρχικού μίγματος σε mol;

Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης του C και του S: ΔΗ_c = –390 kJ/mol και ΔΗ_c = –300 kJ/mol αντίστοιχα.

(απ.: 0,1 - 0,15 mol)

5.74 12 g αέριου μίγματος CH₄ και C₂H₄ καίγονται πλήρως, οπότε ελευθερώνονται 152 kcal. Να υπολογιστούν:

α)  η σύσταση του μίγματος σε mol,

β)  η % w/w και η % v/v περιεκτικότητα του αρχικού μίγματος,

γ)  ο όγκος του CO₂ που παράγεται, μετρημένος σε STP.

Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης: ΔΗ_c(CH4) = – 210 kcal/mol,

                                                  ΔΗ_c(C2H4) = – 340 kcal/mol.

(απ.: V_CO2 = 17,92 L)

5.75 Αέριο μίγμα, που αποτελείται από CO και Η₂, έχει όγκο 6,72 L, μετρημένο σε STP. Κατά την πλήρη καύση του μίγματος ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 85 kJ. Να υπολογιστούν:

α)  οι μάζες των συστατικών του μίγματος,

β)  η % v/v σύσταση του μίγματος,

γ)  ο όγκος του Ο₂, μετρημένος σε STP, που καταναλώθηκε για την καύση του μίγματος.

Δίνονται οι ενθαλπίες καύσης του CO και του Η₂:  ΔΗ_c = – 280 kJ/mol και ΔH_c =  – 285 kJ/mol αντίστοιχα.

(απ.: 33,3% CO - 66,7% H₂)

5.76 Αέριο μίγμα Η₂ και Ο₂ έχει όγκο 22,4 L, μετρημένο σε STP. Το μίγμα αναφλέγεται, οπότε σε κατάλληλες συνθήκες σχηματίζεται H₂O_(l) σύμφωνα με τη χημική εξίσωση:

H_2(g)  +  ½O_2(g)   →   H₂O_(l)

Μετά την αντίδραση παραμένει αέριο όγκου 5,6 L, μετρημένου σε STP. Να υπολογιστούν το ποσό θερμότητας που ελευθερώθηκε κατά την καύση, καθώς και η σύσταση του αρχικού μίγματος Η₂ και Ο₂.

Δίνεται η ενθαλπία σχηματισμού του Η₂Ο_(l): ΔΗ_f = – 286 kJ/mol.

[απ.:  Δύο περιπτώσεις: (α) 0,5 - 0,5 mol,  (β) 0,75 mol H₂ - 0,25 mol O₂]

5.77 Σε δοχείο που περιέχει περίσσεια άνθρακα διαβιβάζεται αέριο μίγμα Ο₂ και υδρατμών, όγκου 8,96 L, μετρημένου σε STP, οπότε πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις:

C_(s)  +  O_2(g)  →  CO_2(g),    ΔΗ = – 390 kJ

C_(s)  +  H₂O_(g)  →  CO_(g)  +  H_2(g),    ΔΗ = 130 kJ

α) Ποια πρέπει να είναι η % v/v σύσταση του αρχικού μίγματος, ώστε κατά την αντίδραση του μίγματος με τον C να μην παρατηρείται θερμική μεταβολή;

β) Αν τελικά ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 52 kJ, να υπολογιστεί η σύσταση του αρχικού μίγματος σε mol.

[απ.: (α) 25% O₂ - 75% H₂O_(g), (β) 0,2 - 0,2 mol]

5.78 Αέριο μίγμα, το οποίο αποτελείται από Cl₂ και ατμούς Ι₂, έχει όγκο 16,4 L σε θερμοκρασία 127 ^oC και πίεση 1 atm. Το μίγμα αυτό αντιδρά πλήρως με H₂, οπότε ελευθερώνεται ποσό θερμότητας ίσο με 21 kJ.

α) Να υπολογιστεί η σύσταση του μίγματος σε mol και οι μερικές πιέσεις των συστατικών του.

β) Ποια πρέπει να είναι η αναλογία mol των συστατικών του αρχικού μίγματος, ώστε να μην παρατηρείται θερμική μεταβολή;

Δίνονται οι ενθαλπίες σχηματισμού: ΔΗ_f(HCl) = – 90 kJ/mol, ΔΗ_f(ΗΙ) = 25 kJ/mol.

(απ.: 5/18)