Условие задачи

Тепловые эффекты образования этана (C2H6, г), углекислого газа и воды (ж.) соответственно равны 89,7 кДж/моль, 393,5 кДж/моль, 285,8 кДж /моль. Составьте термохимическое уравнение реакции горения этана в избытке кислорода.

Решение

Дисциплина этой задачи – термохимия (раздел физико-химии), поскольку речь идёт о тепловых эффектах (энтальпиях образования) веществ и расчёте теплоты реакции.

Нам даны следующие данные (эффект образования дан по модулю, то есть при образовании вещества из простых веществ выделяется указанное количество теплоты):

• Для C₂H₆ (газ) – 89,7 кДж/моль
• Для CO₂ (газ) – 393,5 кДж/моль
• Для H₂O (жидкость) – 285,8 кДж/моль

Обратите внимание, что при составлении стандартного термохимического уравнения реакции горения мы используем стандартные энтальпии образования (ΔH°₍ф₎). При этом для простых веществ (например, кислород O₂) ΔH°₍ф₎ принимается равным нулю. Знак энтальпии образования для стабильных веществ отрицательный (то есть при образовании они выделяют тепло). Таким образом, условно можем считать, что
ΔH°₍ф₎ (C₂H₆(g)) = –89,7 кДж/моль,
ΔH°₍ф₎ (CO₂(g)) = –393,5 кДж/моль,
ΔH°₍ф₎ (H₂O(ж)) = –285,8 кДж/моль,
ΔH°₍ф₎ (O₂(g)) = 0 кДж/моль.

Реакция горения этана производится с избытком кислорода и протекает согласно схеме:

C₂H₆(g) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(ж)

Определим коэффициенты, чтобы уравнять реакцию по всем элементам.

1. Углерод. В этане 2 атома С, значит должно образоваться 2 молекулы CO₂:
C₂H₆ + O₂ → 2 CO₂ + H₂O

2. Водород. В этане 6 атомов Н, а в воде по 2 атома Н; чтобы получить 6 атомов, необходимо 3 молекулы воды:
C₂H₆ + O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O

3. Кислород. Теперь посчитаем общее число атомов кислорода в продуктах:
В 2 CO₂ – 2×2 = 4 атома,
В 3 H₂O – 3×1 = 3 атома,
Итого – 4 + 3 = 7 атомов кислорода.

Так как кислород в реакционных смесях находится в виде O₂ (двуатомных молекул), то число молекул O₂, необходимых для 7 атомов, будет 7/2. Итоговое уравнение:

C₂H₆(g) + 7⁄2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(ж)

При желании можно домножить всё уравнение на 2, чтобы избавиться от дробного коэффициента:

2 C₂H₆(g) + 7 O₂(g) → 4 CO₂(g) + 6 H₂O(ж)

Теперь составим термохимическое уравнение реакции. Тепловой эффект реакции рассчитывается по формуле:

ΔH₍реакц₎ = Σ ΔH°₍ф₎(продуктов) – Σ ΔH°₍ф₎(реагентов)

Воспользуемся исходными данными для одной моли этана (уравнение с дробным коэффициентом):

Для реагентов:
C₂H₆: –89,7 кДж
O₂: 7⁄2 · 0 = 0 kДж
Итого сумма для реагентов = –89,7 кДж

Для продуктов:
2 CO₂: 2 · (–393,5) = –787,0 кДж
3 H₂O: 3 · (–285,8) = –857,4 кДж
Итого сумма для продуктов = –787,0 кДж – 857,4 кДж = –1644,4 кДж

Таким образом,
ΔH₍реакц₎ = (–1644,4) – (–89,7) = –1644,4 + 89,7 = –1554,7 кДж

Запишем термохимическое уравнение с указанием теплоты реакции:

C₂H₆(g) + 7⁄2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(ж), ΔH = –1554,7 кДж/моль

Или, домножив на 2:

2 C₂H₆(g) + 7 O₂(g) → 4 CO₂(g) + 6 H₂O(ж), ΔH = –2 · 1554,7 = –3109,4 кДж

Таким образом, подробное решение задачи выполнено в соответствии с правилами термохимии.