Kuidas arvutada entalpia muutusi

Reaktsiooni entalpia muutus on reaktsiooni toimumisel neeldunud või vabanev soojushulk, kui see toimub püsiva rõhu all. Saate arvutuse lõpule viia erineval viisil, sõltuvalt konkreetsest olukorrast ja olemasolevast teabest. Paljude arvutuste jaoks on Hessi seadus peamine teave, mida peate kasutama, kuid kui teate toodete ja reaktiivide entalpiat, on arvutus palju lihtsam.

TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)

Entalpia muutusi saate arvutada lihtsa valemi abil: H = H_tooted - H_reagendid

Entalpia (H) täpne määratlus on siseenergia (U) ning rõhu (P) ja mahu (V) korrutise summa. Sümbolites on see:

H = U + PV

Entalpia (∆H) muutus on seega:

∆H = ∆U + ∆P∆V

Kui delta sümbol (∆) tähendab muutust. Praktikas hoitakse rõhku konstantsena ja ülaltoodud võrrandit on parem näidata järgmiselt:

∆H = ∆U + P∆V

Kuid pideva rõhu korral on entalpia muutus lihtsalt ülekantav soojus (q):

∆H = q

Kui (q) on positiivne, on reaktsioon endotermiline (st neelab soojust ümbritsevast) ja kui see on negatiivne, on reaktsioon eksotermiline (s.t. eraldab soojust ümbruskonda). Entalpia ühikud on kJ / mol või J / mol või üldiselt energia / mass. Ülaltoodud võrrandid on tegelikult seotud soojusvoo ja energia füüsikaga: termodünaamikaga.

Kõige elementaarsem viis entalpia muutuse arvutamiseks kasutab toodete entreageerimist. Kui teate neid koguseid, kasutage üldise muudatuse väljatöötamiseks järgmist valemit:

H = H_tooted - H_reagendid

Naatriumioonide lisamine kloriidioonidele naatriumkloriidi moodustamiseks on näide reaktsioonist, mille saate sel viisil arvutada. Ioonnaatriumi entalpia on −239,7 kJ / mol ja kloriidioonil on entalpia −167,4 kJ / mol. Naatriumkloriidi (lauasool) entalpia on –411 kJ / mol. Nende väärtuste lisamine annab:

∆H = −411 kJ / mol - (−239.7 kJ / mol −167.4 kJ / mol)

= −411 kJ / mol - (−407.1 kJ / mol)

= −411 kJ / mol + 407,1 kJ / mol = −3,9 kJ / mol

Niisiis eraldub soola moodustumisel mooli kohta peaaegu 4 kJ energiat.

Kui aine muutub tahkest vedelaks, vedelast gaasiks või tahkeks gaasiks, on nende muutustega seotud konkreetsed entalpiad. Sulamise entalpia (või varjatud kuumus) kirjeldab üleminekut tahkest vedelaks (tagurpidi on see väärtus miinus ja seda nimetatakse termotuumasünteesiks), aurustamise entalpia kirjeldab üleminek vedelalt gaasile (ja vastupidine on kondenseerumine) ja sublimatsiooni entalpia kirjeldab üleminekut tahkest gaasiks (tagurpidi nimetatakse taas kondensaadi entalpiaks).

Vee jaoks on sulamise entalpia ∆H_sulamine = 6,007 kJ / mol. Kujutage ette, et soojendate jääd 250 Kelvinist, kuni see sulab, ja soojendage seejärel vett 300 K-ni. Kütteosade entalpia muutus on lihtsalt vajalik soojus, nii et leiate selle:

H = nC nT

Kus (n) on moolide arv, (∆T) on temperatuuri muutus ja (C) erisoojus. Jää erisoojus on 38,1 J / K mol ja vee erisoojus 75,4 J / K mol. Nii et arvutus toimub mõnes osas. Esiteks tuleb jää kuumutada temperatuurilt 250 K kuni 273 K (s.o –23 ° C kuni 0 ° C). 5 mooli jää kohta on see:

H = nC nT

= 5 mol × 38,1 J / K mol × 23 K

= 4,382 kJ

Korrutage nüüd sulamise entalpia moolide arvuga:

H = n = H_sulamine

= 5 mol × 6,007 kJ / mol

= 30,035 kJ

Aurutamise arvutused on samad, välja arvatud juhul, kui aurutamise entalpia on sulava asemel. Lõpuks arvutage viimane kuumutusfaas (vahemikus 273 kuni 300 K) samamoodi nagu esimene:

H = nC nT

= 5 mol × 75,4 J / K mol × 27 K

= 10,179 kJ

Reaktsiooni entalpia kogu muutuse leidmiseks võtke need osad kokku:

∆H_kokku = 10,179 kJ + 30,035 kJ + 4,382 kJ

= 44,596 kJ

Hessi seadus on kasulik juhul, kui teie kaalutaval reaktsioonil on kaks või enam osa ja soovite leida entalpia üldise muutuse. Selles öeldakse, et reaktsiooni või protsessi entalpia muutus ei sõltu selle toimumise teest. See tähendab, et kui reaktsioon muundub ainel teiseks, pole vahet, kas reaktsioon toimub ühes etapis (reaktiividest saavad tooted kohe) või kas see läbib paljusid etappe (reagendid saavad vahendajateks ja muutuvad seejärel toodeteks), on sellest tulenev entalpia muutus sama mõlemal juhul.

Tavaliselt aitab selle seaduse kasutamiseks skeemi joonistamine (vt Ressursid). Üks näide on see, et kui alustada kuue mooliga süsinikust koos kolme vesinikuga, siis põlevad nad vaheetapina kokku hapnikuga ja moodustavad seejärel lõpp-produktina benseeni.

Hessi seadus ütleb, et reaktsiooni entalpia muutus on mõlema osa entalpia muutuste summa. Sel juhul on ühe mooli süsiniku põlemisel ∆H = −394 kJ / mol (seda juhtub reaktsioonis kuus korda), entalpia muutus ühe mooli põlemisel vesinikgaasi sisaldus on ∆H = −286 kJ / mol (seda juhtub kolm korda) ning süsinikdioksiidi ja vee vahendajad muutuvad benseeniks entalpia muutusega ∆H = +3,267 kJ / mol.

Kogu entalpia muutuse leidmiseks võtke nende muutuste summa kokku, pidades meeles, et korrutage iga reaktsiooni esimeses etapis vajaliku moolide arvuga:

∆H_kokku = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 kJ / mol