MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI CERCETĂRII ŞTIINŢIFICE
Colecţia EDUCAŢIONAL
Elena ALEXANDRESCU
CHIMIE C3 clasa a XII-a Filiera vocaţională, profil militar, specializarea: matematică - informatică Filiera tehnologică, calificările profesionale: tehnician mecanic pentru întreţinere şi reparaţii, tehnician prelucrări mecanice, tehnician electronist, tehnician electrotehnist, tehnician electromecanic, tehnician în construcţii şi lucrări publice, tehnician instalator pentru construcţii, tehnician în industria textilă, tehnician în industria pielăriei, tehnician transporturi, tehnician metrolog, tehnician operator roboţi industriali, tehnician în prelucrarea lemnului, tehnician designer mobilă şi amenajări interioare, tehnician poligraf, tehnician audio - video, tehnician producţie film şi televiziune, tehnician multimedia, tehnician producţie poligrafică, tehnician aviaţie, tehnician instalaţii de bord (avion), tehnician prelucrări la cald, tehnician operator tehnică de calcul, tehnician operator procesare text/imagine, tehnician desenator pentru construcţii şi instalaţii, tehnician mecatronist, tehnician de telecomunicaţii, tehnician proiectant CAD, tehnician designer vestimentar, tehnician în instalaţii electrice, tehnician operator telematică, tehnician în automatizări, tehnician ecolog şi protecţia calităţii mediului, tehnician agromontan, tehnician hidro-meteorolog, tehnician analize produse alimentare, tehnician veterinar, tehnician veterinar pentru animale de companie, tehnician în agricultură, tehnician în silvilcultură şi exploatări forestiere, tehnician în industria alimentară, tehnician în agroturism.
Editura LVS Crepuscul
Autori: prof. gr. I Elena ALEXANDRESCU - Colegiul Naţional “Mihai Viteazul” Ploieşti Referenţi ştiinţifici: profesor univ. dr. Elena DIACU - Catedra de Chimie Analitică, Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor, Universitatea Politehnică Bucureşti profesor grd. I Doina DĂNCIULESCU Colegiul Naţional “Mihai Viteazul” Bucureşti profesor grd. I Nicoleta DRĂGAN Inspector de specialitate Inspectoratul Şcolar Prahova Tehnoredactare şi grafică:
Sultana VIZIREANU
Manualul a fost aprobat prin Ordinul ministrului Educaţiei, Cercetării şi Tineretului nr. 1561/66 din 23.07.2007 în urma evaluării calitative şi este realizat în conformitate cu programa analitică aprobată prin Ordin al ministrului Educaţiei, Cercetării şi Tineretului nr. 5959 din 22.12.2006.
ISBN: 978-973-7680-36-5 © 2004, EDITURA LVS CREPUSCUL Ploieşti
Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României ALEXANDRESCU, ELENA Chimie: C3: clasa a XII-a - C1/Elena Alexandrescu - Ploieşti: LVS Crepuscul, 2007 Bibliogr. ISBN 978-973-7680-36-5 54(075.35)
© 2015, Ediţie revizuită Tipar şi Distribuţie EDITURA EXPLORATOR Ploieşti, 100066, Str. Erou Călin Cătălin nr. 5 Tel.: 0244-511244, 0244-595348, 0723-387225, 0745-367226 Fax: 0244-519466 E-mail: office@crepuscul.ro, office@cutezatorii.ro www.crepuscul.ro
Introducere „Nu pentru şcoală, ci pentru viaţă învăţăm.” Seneca
Experţi din domeniul climatologiei din întreaga lume, întruniţi la Paris în februarie 2007, au transmis întregii omeniri un avertisment foarte serios. Sunt siguri, în proporţie de 90%, că principala cauză a încălzirii globale şi a schimbărilor climaterice este activitatea umană. Cum, de când şi cât de mult „facem rău” planetei care ne găzduieşte? Sunt întrebări la care nu poate răspunde decât un om foarte bine informat. Studiul chimiei şi a altor ştiinţe ale naturii poate să ofere explicaţii, soluţii şi, în final, speranţe. Vă invit să descoperiţi aspecte noi ale reacţiilor chimice organice şi anorganice, care vă vor ajuta să găsiţi răspunsuri la multe probleme de ieri, de azi şi de mâine. Vă urez succes, prof. Elena Alexandrescu
C
himie clasa a XII-a
Norme de protecţie în laboratorul de chimie
Activităţile experimentale ale elevilor se efectuează în laboratorul de chimie, sub îndrumarea directă a profesorului. Pentru prevenirea unor accidente, trebuie să cunoaşteţi anumite reguli de protecţie. • Se poartă halatul alb, încheiat cu nasturi, curat, pentru protejarea îmbrăcămintei şi a pielii. • Toate experimentele se execută cu cantităţi mici de substanţe. • Se lucrează în vase curate. • Înainte de utilizarea reactivilor, se citeşte cu atenţie eticheta pentru identificarea substanţelor chimice. • Substanţele chimice nu se gustă şi nu se miros direct. • La diluarea H2SO4, se toarnă acid în apă şi nu invers. • Resturile de substanţe toxice nu se aruncă în canal, ci se adună în borcane şi se aruncă în locuri special amenajate. • Aparatura de sticlă nu se încălzeşte direct pe flacară. • Manipularea substanţelor toxice se face sub nişă. • Aparatele electrice nu se manipulează cu mâna umedă.
Cum utilizăm manualul?
Pe parcursul fiecărui paragraf veţi întâlni sigle cu anumite semnificaţii. Analizează şi • Introduce sarcini de observare şi prelucrare a informaţiilor date pentru a descoperă asigura înţelegerea conceptelor noi. Verifică şi consolidează
E
• Introduce sarcini de aplicare imediată a noilor informaţii pentru consolidarea lor.
• Introduce sarcini de experimentare a unor reacţii chimice pentru a descoperi Experimentează sau pentru a verifica caracteristicile unor procese sau proprietăţile unor substanţe. Experimentele pot fi efectuate individual sau pe grupe formate din 2-4 elevi.
Info plus... Stiati că... Aplicaţii
• Introduce aspecte legate de viaţa cotidiană şi unele informaţii, care nu sunt cuprinse în curriculum, referitoare la conceptele chimice studiate. • Introduce prezentarea unor momente de referinţă din istoria chimiei şi a unor informaţii despre răspândirea în natură, proprietăţile şi utilizările unor substanţe chimice. • Introduce exerciţii şi probleme care cer aplicarea informaţiilor noi. * • Introduce aplicaţii a căror rezolvare presupune informaţii suplimentare sau aplicaţii cu un grad ridicat de dificultate.
Test de evaluare Portofoliu
4
• Introduce aplicaţii şi teste pentru autoevaluare. Timpul de lucru pentru fiecare test de evaluare este de 50 de minute.
•Portofoliul, ca instrument de evaluare complex, permite evaluarea şi aprecierea globală a deprinderilor, capacităţilor şi performanţelor dobândite în timpul procesului de învăţare. Realizaţi pe parcursul anului şcolar portofoliul cu tema: “Chimia şi viaţa”. Portofoliul trebuie să cuprindă lucrările indicate în manual cu sigla “Portofoliu”. Vă puteţi completa portofoliul şi cu alte lucrări: fişe de observaţii realizate în timpul unor excursii de documentare, teste, curiozităţi, amuzamente chimice etc. Puteţi consulta diverse surse bibliografice.
Noţiuni de termochimie
Competenţe specifice:
• să clasifici reacţiile în funcţie de efectul lor termic; • să determini experimental efectul termic al unor fenomene fizice şi chimice; • să defineşti entalpia de reacţie; • să calculezi variaţia de entalpie ce însoţeşte o reacţie chimică din entalpii molare de formare standard;
capitolul
2
• să apreciezi caracterul exoterm sau endoterm al reacţiei după valoarea variaţiei de entalpie a reacţiei; • să stabileşti variaţia de entalpie a unui proces chimic pe baza legii lui Hess; • să apreciezi calitatea unui combustibil după puterea lui calorică.
Noţiuni de termochimie
2
2.2. Entalpia de reacţie Reacţiile chimice se pot desfăşura într-un recipient închis cu volum constant (condiţii izocore) sau la presiune constantă, într-un recipient deschis sau cu volum variabil (condiţii izobare). Cele mai multe reacţii chimice se desfăşoară în condiţii izobare, la presiunea atmosferică.
Stiati că... Josiah Willard Gibbs (1839 - 1903), chimist şi fizician american, a fost profesor la Universitatea Yale. Este unul dintre creatorii termodinamicii chimice. A efectuat cercetări în domeniul chimiei fizice şi al fizicii matematice. A studiat aspectele energetice ce însoţesc reacţiile chimice şi echilibrele termice.
pint
pext V1 T1 Fig. 2.2.1.
V2 T2
Entalpia
Căldura degajată într-o reacţie exotermă sau căldura absorbită într-o reacţie endotermă, care se desfăşoară la presiune constantă, reprezintă variaţia unei mărimi de stare numită entalpie şi notată cu H.
Reţineţi
În termodinamică, entalpia este definită prin relaţia: H = U + pV U este energia internă a unui sistem termodinamic, iar pV este lucrul mecanic necesar sistemului pentru a-şi ocupa volumul propriu V la presiunea constantă p.
Se cunoaşte că toate particulele (atomi, ioni, molecule) componente ale substanţelor, în orice stare de agregare, se află într-o continuă mişcare (agitaţie termică) şi că între ele se exercită diferite tipuri de interacţiuni. De aceea, fiecare particulă posedă energie (cinetică şi potenţială). Energia internă a unui sistem este egală cu suma tuturor energiilor cinetice şi potenţiale ale particulelor componente ale sistemului. Fiecărei stări de echilibru termic a unui sistem (fiecărei temperaturi a sistemului) îi corespunde o energie internă. Nu se poate determina valoarea absolută a energiei interne a unui sistem, adică valoarea energiei stocate în sistem. Experimental, se poate determina variaţia acestei energii ( U). Să considerăm o cantitate de gaz închis într-un cilindru în care alunecă un piston fără frecare (fig. 2.2.1.). Iniţial, gazul ocupă volumul V1 la temperatura T1. Presiunea exercitată de gaz asupra pereţilor cilindrului şi asupra pistonului (presiunea interioară, pint) este egală cu presiunea care apasă din exterior asupra pistonului (presiunea exterioară, pext). Când, în urma unui proces oarecare, gazul din cilindru primeşte din exterior o cantitate de căldură, se încălzeşte, dar se şi dilată şi împinge pistonul într-o nouă poziţie de echilibru. În noua stare, gazul ocupă volumul V2 la temperatura T2. În procesul de dilatare, gazul acţionează asupra pistonului de suprafaţă S, cu o forţă F şi îl deplasează pe distanţa d, efectuând un lucru mecanic L, egal cu:
L = F·d
Înmulţind şi împărţind cu S, relaţia de mai sus devine: unde:
, iar
Dacă V1 = 0, atunci V = V2 - V1 = V2 = V şi lucrul mecanic efectuat de gaz pentru a ocupa volumul V la presiune constantă este L = p·V. Analizând relaţia de definire a entalpiei (H = U + p·V) şi cunoscând că nu se poate determina valoarea absolută a energiei interne a unui sistem, 15
C
himie clasa a XII-a
Stiati că... Reacţiile biochimice care au loc în organismele vii pot fi reacţii endoterme sau exoterme. Astfel, procesul de fotosinteză, care constă în sinteza zaharidelor din dioxid de carbon şi apă este un proces endoterm. În acest proces se absoarbe energie radiantă care este stocată sub formă de energie chimică în moleculele zaharidelor şi ale oxigenului. Zaharidele sunt arse la nivelul celulelor, proces exoterm, când se eliberează energia chimică din moleculele lor sub formă de energie termică (căldură şi lucru mecanic). Organismul animal foloseşte această energie pentru asigurarea funcţiilor sale vitale (menţinerea temperaturii constante, mişcare etc.). În organismele animale, transformarea energiei chimice în lucru mecanic se face cu un randament mare, mai mare decât într-un motor termic obişnuit.
se deduce uşor că nu se poate cunoaşte nici valoarea absolută a entalpiei sistemului. Se poate determina experimental variaţia entalpiei, corespunzătoare unei transformări a sistemului la presiune constantă. H = H2-H1=(U2+pV2) - (U1+pV1) = U2-U1 + p(V2-V1) = U+p V Relaţia H = U+p V este o expresie a legii conservării energiei care stabileşte că, în toate procesele, energia se transformă dintr-o formă în alta, dar se conservă. Astfel, în cazul analizat, când primeşte de la mediul exterior o cantitate de căldură H, gazul din cilindru foloseşte o parte din ea ( U) pentru a se încălzi cu T grade ( T = T2 - T1) şi consumă cealaltă parte (p V) sub formă de lucru mecanic pentru a se dilata. Dacă pistonul nu se poate deplasa, volumul este constant, V=0 şi p· V=0, iar căldura primită de gaz de la mediul exterior duce exclusiv la încălzirea gazului, adică la creşterea energiei lui interne cu U. Transferând aceste concepte generale în cazul reacţiilor chimice se desprind două concluzii.
Reţineţi
Căldura de reacţie pentru o reacţie care se desfăşoară la volum constant, notată QV, este egală cu variaţia energiei interne a sistemului chimic. QV = U Căldura de reacţie pentru o reacţie care se desfăşoară la presiune constantă, notată QP, este egală cu variaţia entalpiei sistemului chimic. Qp = H
O reacţie chimică se desfăşoară conform schemei generale: reactanţi t produşi de reacţie
Pentru cazul general, variaţia entalpiei unui sistem chimic ( H) se calculează după relaţia: H = Hfinal - Hiniţial = Hproduşi - Hreactanţi Entalpia este o mărime de stare extensivă a substanţelor, depinde de numărul de moli de substanţă. Dacă la reacţie participă mai multe substanţe şi reacţia se desfăşoară după schema generală: atunci variaţia de entalpie se calculează: H = Hproduşi - Hreactanţi =
Fig. 2.2.2. Frunza - sediul fotosintezei
16
unde: nP = numărul de moli dintr-un produs de reacţie; HP = entalpia unui mol de produs de reacţie; nR = numărul de moli dintr-un reactant; HR = entalpia unui mol de reactant. De exemplu, în cazul reacţiei de descompunere a cloratului de potasiu: 2K ClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g) variaţia de entalpie ( H) este:
H = (2HKCl(s) + 3HO
Noţiuni de termochimie
2(g)
) - 2HKClO3(s)
2
Variaţia de entalpie în reacţiile endoterme şi exoterme
În cazul unei reacţii endoterme, sistemul chimic primeşte energie din exterior şi trece dintr-o stare (reactanţi) caracterizată printr-o entalpie mai mică (HR) într-o nouă stare (produşi de reacţie) caracterizată prin entalpie mai mare (HP). Prin urmare: HR < HP şi H = HP - HR >0, unde: HP = entalpia totală a produşilor de reacţie; HR = entalpia totală a reactanţilor. De exemplu, în reacţia de descompunere a unui mol de carbonat de calciu, la temperatura de 25°C şi presiunea de 1 atm, se absoarbe o cantitate de căldură de 177,5 kJ. Ecuaţia termochimică este: CaCO3(s) + 177,5 kJ Fig. 2.2.3. Variaţia de entalpie într-o reacţie endotermă
Variaţia de entalpie pentru această reacţie este:
H = (HCaO(s) + HCO (g)) - HCaCO = +177,5 kJ/mol 2 3(s) În cazul unei reacţii exoterme, sistemul chimic cedează energie şi trece dintr-o stare (reactanţi) caracterizată prin entalpie mai mare (HR) într-o nouă stare (produşi de reacţie) caracterizată prin entalpie mai mică (HP). Prin urmare: HR > HP şi H = HP - HR <0, unde: HP = entalpia totală a produşilor de reacţie; HR = entalpia totală a reactanţilor. De exemplu, în reacţia de ardere a unui mol de carbon din grafit, la temperatura de 25°C şi presiunea de 1 atm, se degajă o cantitate de căldură de 393,5 kJ. Ecuaţia termochimică este: C(s) + O2(g)
Fig. 2.2.4. Variaţia de entalpie într-o reacţie exotermă
CaO(s) + CO2(g)
CO2(g) + 393,5 kJ
Variaţia de entalpie pentru această reacţie este: H = HCO (g) -(HC(s) + HO (g)) = -393,5 kJ/mol 2 2
Reţineţi
În concluzie, variaţia de entalpie este pozitivă în reacţiile endoterme şi negativă în reacţiile exoterme.
a) Analizaţi ecuaţiile termochimice de mai jos şi determinaţi valorile variaţiilor de entalpie. C2H2(g) + 52 O2(g) 2CO2(g) + H2O(g) + 863 kJ 2NaHCO3(s) + 135 kJ Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
b) Analizaţi valorile variaţiilor de entalpie şi precizaţi care dintre reacţiile de mai jos este exotermă şi care este endotermă. Scrieţi ecuaţiile termochimice. H = -283 kJ CO(g) + 12 O2(g) CO2(g) C2H6(g)
C2H4(g) + H2(g)
H = +137 kJ
Entalpia molară de formare
Valoarea absolută a entalpiei unui compus chimic nu se poate determina. Convenţional, s-a ales ca entalpie de referinţă entalpia substanţelor în stare elementară, care, în condiţiile standard, este considerată zero. 17
C
himie clasa a XII-a
Condiţiile standard sunt: temperatura de 298K (25°C), presiunea de 1 atm, concentraţia soluţiilor 1M. Dacă o substanţă există în mai multe stări alotropice, ca stare standard, se alege forma cea mai stabilă. Determinate în raport cu entalpia în condiţii standard a elementelor, entalpiile relative ale substanţelor compuse pot fi pozitive sau negative. Analizaţi următorul raţionament. Se consideră reacţia de obţinere a unui mol de oxid de aluminiu (Al2O3) din aluminiu şi oxigen, în condiţii standard, reacţie ce este puternic exotermă. 2Al(s) + 32 O2(g) Al2O3(s) + 1670 kJ
Variaţia de entalpie în această reacţie este. H = HAl O (s) - (2HAl(s) + 32 HO (g)) = HAl O (s) - (2·0 + 32 ·0) = 2 3 2 2 3 = HAl O (s) = -1670 kJ 2 3
Info plus... Procesele spontane sunt transformările care conduc sistemul la un conţinut de energie mai scăzut şi la un grad de dezordine mai mare. Astfel, reacţiile exoterme din care rezultă gaze sunt, în general, reacţii spontane. De exemplu, arderea cărbunilor, a lemnului, a metanului sunt procese spontane. Transformările în care sistemul trece la un conţinut energetic mai ridicat şi devine mai ordonat nu sunt procese spontane.
Fig. 2.2.5. Arderea lemnelor
Prin urmare, entalpia unui mol de oxid de aluminiu în condiţii standard, este egală cu variaţia de entalpie a reacţiei de obţinere a unui mol de oxid de aluminiu din elementele componente (Al şi O2).
Reţineţi
Variaţia de entalpie a reacţiei de sinteză a unui mol de substanţă compusă din elementele componente reprezintă entalpia molară de formare a substanţei respective. Măsurată în condiţii standard, entalpia molară de formare se numeşte entalpie molară de formare standard şi se notează cu H°f sau H°f. Entalpia molară de formare se exprimă în kJ/mol. În anexa 1 de la pagina 108, sunt indicate entalpiile molare de formare standard pentru câteva substanţe. După valoarea entalpiei molare de formare se apreciază stabilitatea unei substanţe. Dacă entalpia molară de formare a unei substanţe compuse este negativă, înseamnă că reacţia de obţinere a ei din elementele componente este o reacţie exotermă, că entalpia substanţei compuse este mai mică decât entalpia elementelor componente şi că substanţa este mai stabilă. Astfel, cele mai stabile substanţe sunt cele care au cele mai mici entalpii molare de formare. De exemplu, dioxidul de carbon (CO2) cu H°f = -393,5 kJ/mol este mai stabil termodinamic decât monoxidul de carbon (CO) cu H°f = -110,5 kJ/mol. Cunoscând entalpiile molare de formare ale substanţelor participante la o reacţie, se poate calcula variaţia de entalpie a reacţiei. De exemplu, variaţia de entalpie în reacţia de oxidare a monoxidului de carbon (CO) la dioxid de carbon (CO2), în condiţii standard, se calculează astfel: CO(g) + 12 O2(g) CO2(g) H = H°fCO2(g) - ( H°fCO(g) + 12 H°fO2(g)) = -393,5 kJ/mol - (-110,5 kJ/mol + 0) = - 393,5 kJ/mol + 110,5 kJ/mol = -283 kJ/mol
Calculaţi variaţia de entalpie pentru reacţiile indicate mai jos, care se desfăşoară în condiţii standard, şi precizaţi dacă sunt reacţii exoterme sau endoterme. Pentru rezolvare consultaţi anexa 1. CH2=CH2(g) + H2O(l) CH3—CH2—OH(l) 18
HgO(s)
Hg(l) + 12 O2(g)
Noţiuni de termochimie
Legea lui Hess
2
Studiind efectul termic al reacţiilor chimice, fizicianul rus G.I. Hess a formulat în anul 1840 legea ce-i poartă numele.
Stiati că... Gherman Ivanovici Hess (1802 - 1850), chimist rus de origine elveţiană, a fost profesor universitar la Petersburg. Este unul dintre fondatorii termodinamicii. A descoperit (1840) legea aditivităţii căldurilor de reacţie, lege ce-i poartă numele.
Reţineţi
Căldura absorbită sau degajată într-o reacţie chimică este aceeaşi indiferent dacă transformarea are loc într-o singură etapă sau în mai multe.
Conform legii lui Hess, dacă un sistem de reactanţi (R) poate trece în produşi de reacţie (P) direct (calea 1) sau în mai multe etape (calea 2), ca în schema 2.2.6., variaţia de entalpie în cele două procese este aceeaşi. Schema 2.2.6. H1
R
P
H2
H4
R´
Fig.2.2.8. Sulf - pe marginea craterului unui vulcan
R´´
H3
Analizaţi schema 2.2.7. în care sunt prezentate două posibilităţi de transformare a propenei (C3H6) în dioxid de carbon şi apă, verificaţi legea lui Hess.
Stiati că... Industrial, acidul sulfuric (H2SO4) se obţine din sulf sau pirită (FeS2). Din arderea sulfului sau a piritei se obţine SO2 care, după purificare, este convertit în SO3. Prin absorbţia acestuia într-o soluţie de H2SO4, se obţine oleumul, un amestec de H2SO4 şi SO3.
H1 = H2 + H3 + H4
Schema 2.2.7. +9/2O2(g)
C3H6(g) +H2(g)
3CO2(g) + 3H2O(l)
H 1=-2058 kJ/mol
-H2(g) -1/2O2(g)
H 2=-124 kJ/mol +5O2(g)
C3H8(g)
H 3=-2220 kJ/mol
H 4=+286 kJ/mol
3CO2(g) + 4H2O(l)
Legea lui Hess permite calcularea entalpiilor de formare ale unor substanţe care nu se pot obţine direct din elementele componente sau a căldurilor de reacţie ale unor reacţii care au loc în condiţii dificile ce nu permit măsurarea practică a acestora. De exemplu, trioxidul de sulf (SO3) nu se poate obţine prin arderea sulfului şi, prin urmare, nu se poate determina experimental entalpia lui molară de formare. Din sulf şi oxigen, trioxidul de sulf se poate obţine în două etape conform schemei 2.2.9. Schema 2.2.9.
S(s)
+3/2O2(g) H1
+O2(g) H2
SO3(g) +½O2(g)
SO2(g)
H3
(1) S (s) + 3/2O2(g) (2) S (s) + O 2(g)
SO 3(g) SO 2(g)
(3) SO 2(g) + ½O 2(g)
SO 3(g)
H1 H 2=-297 kJ H 3=-98,2 kJ
H°fSO (g) = H1 = H2 + H3 = -297 - 98,2 = -395,2 kJ/mol 3 19
C
himie clasa a XII-a
Fig.2.2.10. Arderea sulfului
Dacă se adună ecuaţiile (2) şi (3), membru cu membru, se obţine ecuaţia (1). S(s) + O2(g) + SO2(g) + 12 O2(g) SO2(g) + SO3(g) sau S(s) + 32 O2(g) SO3(g) Se observă că s-a efectuat aceeaşi operaţie (adunare) cu ecuaţiile chimice ca şi cu variaţiile de entalpie corespunzătoare lor. Folosind acest algoritm se pot rezolva şi alte probleme.
Aplicaţii 1. Indicaţi care dintre afirmaţiile de mai jos sunt adevărate şi care sunt false, completând cu litera A sau F spaţiul liber din faţa enunţului. ..... a) Căldura de reacţie este măsurată întotdeauna prin variaţia de entalpie, indiferent de condiţiile în care se desfăşoară reacţia. ..... b) Efectul termic al unei reacţii care se desfăşoară în condiţii izobare este măsurat prin variaţia de entalpie a sistemului chimic. ..... c) Variaţia de entalpie este pozitivă pentru o reacţie exotermă şi este negativă pentru o reacţie endotermă. ..... d) Entalpia substanţelor în stare elementară în condiţii standard este considerată 0. ..... e) Condiţiile standard sunt: temperatura 273 K (0°C), presiunea 760 mmHg şi concentraţia soluţiilor 1%. ..... f) Cu H°f sau H°f se notează variaţia de entalpie pentru orice reacţie. ..... g)Variaţia de entalpie în reacţia de formare a unui mol de substanţă compusă direct din elementele componente în condiţii standard reprezintă entalpia molară de formare standard a substanţei respective şi se notează cu H°f sau H°f. ..... h) Variaţia de entalpie are valori diferite dacă un sistem de reactanţi trece în aceiaşi produşi de reacţie pe căi diferite. Calculaţi variaţiile de entalpie din entalpii molare de formare pentru reacţiile de mai jos, care se 2. desfăşoară în condiţii standard. Precizaţi dacă reacţiile sunt endoterme sau exoterme. Consultaţi anexa 1. a) CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) b) NO(g) + 12 O2(g) NO2(g) c) HCOOH(l) CO2(g) + H2(g)
d)
3.
Pentru reacţia de descompunere a apei oxigenate (H2O2): H2O2(l)
H2O(l) + 1/2O2(g)
variaţia de entalpie în condiţii standard, este H = -98,8 kJ. Alegeţi şi subliniaţi variantele corecte din fiecare item. a) Entalpia molară de formare standard a apei oxigenate este: A) +187 kJ; B) -187 kJ; C) -44,67 kcal; D) 0. b) În condiţii standard, reacţia de descompunere a apei oxigenate: A) este exotermă; B) este endotermă; C) nu are loc; D) conduce la mărirea presiunii, dacă are loc într-un vas închis. 4.
Se consideră următoarele reacţii:
Br2(g) + H2(g) 20
Br2(l) + H2(g)
2HBr(g) + 102,9 kJ
2HBr(g) + 72 kJ
Noţiuni de termochimie
Determinaţi variaţia de entalpie corespunzătoare procesului de vaporizare a 3,2g de brom.
5.
În industrie, alcoolul metilic (CH3OH) se obţine din gaz de sinteză conform ecuaţiei:
2
CO(g) + 2H2(g) CH3OH(l) a) Determinaţi variaţia de entalpie în condiţii standard pentru această reacţie, cunoscând variaţiile de entalpie pentru următoarele reacţii, care se desfăşoară în condiţii standard: CO(g) + 12 O2(g) CO2(g) H1 = -283 kJ CH3OH(l) + 32 O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) H2 = -726,5 kJ H2(g) + 12 O2(g) H2O(l) H3 = -285,8 kJ b) Calculaţi masa de metanol pur ce se poate obţine, ştiind că din reacţie se degajă 1281 kJ. 6. Determinaţi entalpia molară de formare standard a etanolului, dacă se cunosc variaţiile de entalpie în următoarele reacţii:
C(s) + O2(g)
CO2(g) H1 = -393,5 kJ
H2(g) + 12 O2(g) H2O(g) H2 = -241,8 kJ C2H5OH(l) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(g) H3 = -1234,8 kJ 7. Determinaţi variaţia de entalpie în reacţia de hidrogenare parţială a unui mol de propină, dacă se cunosc variaţiile de entalpie în următoarele reacţii de hidrogenare: CH3—CH=CH2(g) + H2(g)
CH3—C CH(g) + 2H2(g)
CH3—CH2—CH3(g)
CH3—CH2—CH3(g)
H1 = -124,3 kJ H2 = -288,9 kJ
8. Calculaţi cantitatea de căldură degajată la arderea în condiţii standard a 5 moli de metan, dacă se cunosc: H°fH O(g) = -241,8 kJ/mol, H°fCO (g) = -393,5 kJ/mol şi H°fCH (g) = -74,8 kJ/mol. 2
2
4
*9. Pentru o alchină se cunosc: entalpia molară de formare standard H°f = +226,7 kJ/mol şi variaţia de entalpie pentru reacţia de oxidare în condiţii standard a unui mol de alchină H = -1255,5 kJ/mol. a) Identificaţi alchina, cunoscând H°fCO = -393,5 kJ/mol şi H°fH O(g) = -241,8 kJ/mol. 2(g)
2
b) Calculaţi masa de zinc, cu temperatura de 20°C, ce ar putea fi adusă în stare topită cu căldura degajată din arderea a 5,6 L (c.n.) de alchină, dacă numai 70% din cantitatea de căldură degajată este utilizată pentru încălzirea şi topirea bucăţii de zinc. Se cunosc: p.t.Zn=419°C, cZn=0,39 kJ/KgK, Zntopire=111 kJ/kg. *10. a) Determinaţi variaţia de entalpie, în condiţii standard, în reacţia de dehidrogenare avansată a n-butanului, conform ecuaţiei: CH3—CH2—CH2—CH3(g)
CH2=CH—CH=CH2(g) + 2H2(g)
Se cunosc variaţiile de entalpie, în condiţii standard, pentru următoarele reacţii:
CH3—CH2—CH2—CH3(g) CH2=CH—CH2—CH3(g)
CH2=CH—CH2—CH2(g) + H2(g)
CH2=CH—CH=CH2(g) + H2(g)
H1 = +125,87 kJ H2 = +110,73 kJ
Precizaţi ce lege se aplică pentru rezolvarea cerinţei. b) Calculaţi variaţia de entalpie în procesul de dehidrogenare avansată a 112 m3 (c.n.) de n-butan. c) Calculaţi volumul (c.n.) de butadienă care se poate obţine, dacă în proces s-au absorbit 1183 kJ şi dacă randamentul este maxim.
21
C
himie clasa a XII-a
Cuprins Capitolul 1 CLASIFICAREA REACŢIILOR CHIMICE 1.1. Clasificarea reacţiilor chimice........................................................................................................... 6 Capitolul 2 NOŢIUNI DE TERMOCHIMIE 2.1. Reacţii exoterme şi endoterme.........................................................................................................10 2.2. Entalpia de reacţie............................................................................................................................15 2.3. Căldura de combustie, de neutralizare, de dizolvare........................................................................22 Capitolul 3 NOŢIUNI DE CINETICĂ CHIMICĂ 3.1. Viteza de reacţie................................................................................................................................32 3.2. Legea vitezei de reacţie....................................................................................................................37 3.3. Influenţa suprafeţei de contact asupra vitezei de reacţie..................................................................41 3.4. Influenţa catalizatorilor asupra vitezei de reacţie.............................................................................43 Capitolul 4 REACŢII CU SCHIMB DE PROTONI 4.1. Exponenţii de aciditate şi bazicitate................................................................................................50 4.2. Amfoliţii acido - bazici....................................................................................................................55 4.3. pH-ul soluţiilor apoase.....................................................................................................................58 4.4. Reacţia de neutralizare. Titrări acido - bazice.................................................................................64 4.5. Soluţii tampon în sistemele biologice..............................................................................................68 Capitolul 5 REACŢII DE COMPLEXARE ŞI PRECIPITARE 5.1. Combinaţii complexe........................................................................................................................76 5.2. Reacţii de precipitare........................................................................................................................81 Capitolul 6 REACŢII CU SCHIMB DE ELECTRONI 6.1. Reacţii de oxido - reducere...............................................................................................................88 6.2. Electroliza - proces redox.................................................................................................................89 6.3. Electroliza - metodă de obţinere a metalelor, nemetalelor şi a substanţelor compuse.....................92 Exerciţii recapitulative.................................................................................................................................. 103 Anexe............................................................................................................................................................... 108 Răspunsuri...................................................................................................................................................... 110 Bibliografie..................................................................................................................................................... 111
112