Enthalpie is gerelateerd aan de warmte die wordt afgegeven door een reactie of die nodig is om een reactie te laten plaatsvinden. Het is gerelateerd aan de sterkte van de bindingen in een stof omdat er potentiële energie in die bindingen zit.
Om enthalpie te begrijpen, moeten eerst energie en thermodynamica worden begrepen. Wat is thermodynamica? Het is de kwantitatief studie van energieoverdrachten en -transformaties.
Energievormen
Er zijn vele vormen van energie: elektrische energie, potentiële versus kinetische energie, chemische (bindings)energie of warmte. Atomen of moleculen kunnen elektrische energie hebben in die zin dat de elektronen kunnen worden gewonnen of gedoneerd. Elektrische energie is enorm belangrijk omdat het gedrag van elektronen bepaalt hoe een atoom, molecuul of stof reageert.
De elektrische energie van moleculen heeft betrekking op het concept van stabiliteit: wat elektronen willen doen. orbitalen willen om te vullen. Positieve en negatieve ladingen trekken elkaar aan om een zo laag mogelijk energieniveau te verkrijgen. Deeltjes met dezelfde lading zullen
afstoten elkaar. Dit helpt bij het voorspellen wat elektronen zullen doen.Bij de vorming van bindingen tussen atomen komt energie vrij of is vereist. De hoeveelheid energie die nodig is om elementen aan elkaar te binden, wordt aangeduid als: bindingsenergie.
Energieoverdrachten en -transformaties:
- Botsingen brengen kinetische energie over van een bewegend object naar een ander object.
- Een hete substantie naast een koelere substantie zal resulteren in een overdracht van energie (thermisch) van de ene naar de andere.
- Potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie wanneer een steen van een richel valt. Wanneer de rots de grond raakt, wordt zijn kinetische energie omgezet in thermische energie.
- Bij een verbrandingsreactie wordt chemische energie omgezet in thermische energie.
- Bij reacties die de moleculaire samenstelling veranderen, is energie nodig of komt deze vrij.
De Wet van behoud van energie stelt dat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd.
De concept van een systeem en omgeving in een gesloten systeem is erg belangrijk in de thermodynamica. Wanneer u temperatuurveranderingen meet, meet u de overdracht van energie van het systeem naar de omgeving (of omgekeerd). De totale hoeveelheid energie verandert niet, deze wordt alleen overgedragen.
Definitie van enthalpie
Enthalpie (H) is de thermodynamische functie die de warmtestroom beschrijft en wordt uitgedrukt in kJ/mol. Het is belangrijk op te merken dat enthalpie niet strikt een maat voor warmte is, maar gerelateerd is aan druk en volume, zoals je kunt zien in de onderstaande formule.
De enthalpie van formatie is het verschil in enthalpie tussen een verbinding en de elementen waaruit het is gemaakt.
Formule voor enthalpie
H = E + pV
H = enthalpie, E = energie, p = druk, V = volume
Eerste wet van de thermodynamica stelt dat de energie van een systeem plus zijn omgeving constant blijft en een som is van de warmte (q) en het werk (met wie) die in dat systeem plaatsvinden.
ΔE = q + w
Werk is ook een stroom van energie tussen een systeem en zijn omgeving. Een gemakkelijke manier om werk te visualiseren als een energieoverdracht, is om je zuigers voor te stellen die bewegen wanneer er een kracht op wordt uitgeoefend.
De wet van Hess: Wanneer er twee of meer gebalanceerde chemische vergelijkingen zijn om de stappen van een reactie te tonen, is de verandering in enthalpie voor de netto vergelijking is de som van de verandering in enthalpie voor elke individuele vergelijking.
Dit ondersteunt het feit dat enthalpie een staatfunctie, wat betekent dat de gevolgde weg geen invloed heeft op het eindresultaat in termen van het meten van enthalpie. Dit is in overeenstemming met de wet van behoud van energie waarin energie niet wordt gecreëerd of vernietigd.
Wanneer stoffen overgaan tussen fasen (vast, vloeibaar, gas) kan de energieoverdracht worden beschreven met de volgende formule:
q = nCmΔT
q = warmte, nee = moedervlekken, C_m = molaire warmtecapaciteit, _Δ__T = verandering in temperatuur
Specifieke warmtecapaciteit = de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 kg materiaal met 1 graad Celsius te verhogen
Molaire soortelijke warmtecapaciteit = de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 mol materiaal met 1 eenheid te verhogen
Berekening van de reactie-enthalpie
Voorbeeld 1: Bereken de temperatuurverandering die het gevolg is van het toevoegen van 250 J thermische energie aan 0,50 mol kwik.
Visualiseer het diagram van het verwarmingssysteem en de omgeving met de richting van de pijl in de richting van in het systeem.
Gebruik de formule: q = nCmT
Aangezien u om de verandering in temperatuur wordt gevraagd, herschikt u de formule:
T = q/nCm
Zoek de molaire warmtecapaciteit van kwik op: 28,3 J/mol K
T = 250 J/(p.50 mol)(28,3 J/mol K)
T = 17,7 K
Enthalpie van formatie
Berekening van de enthalpie van formatie omvat het schrijven van evenwichtige chemische vergelijkingen en het combineren van de verandering in enthalpie van elke stap. Je moet de vergelijkingen zo verkleinen dat je oplost voor een enkel atoom van het atoom dat in de vraag wordt gespecificeerd. Het proces is goed gedefinieerd in het onderstaande voorbeeld.
Berekening van de vormingsenthalpie
Voorbeeld 2: Bereken de enthalpieverandering per mol koolmonoxide voor de reactie van koolmonoxide met zuurstof tot kooldioxide.
Koolstof die met beperkte zuurstof wordt verbrand, resulteert in koolmonoxide (CO), maar als er voldoende zuurstof is, zal het product kooldioxide (CO2).
2 C (s) --> + O2 (g) --> 2 CO (g)
ΔH = -221,0 kJ
2 C (s) + O2 (g) --> CO2 (g)
ΔH = -393,5 kJ
Herschik de eerste vergelijking en keer de ΔH om, breng dan de tweede vergelijking in evenwicht.
2 CO 9g) --> 2 C (s) + O2 (g)
ΔH = +221.0 kJ
2 C (s) + 2 O2 (g) --> 2 CO2 (g)
ΔH = (2 mol)(-393,5 kJ) = -787,0 kJ
Annuleer de '2 C (s)' en de 'O2' van de rechterkant van de eerste vergelijking met de equivalenten aan de linkerkant van de tweede vergelijking om het volgende te bereiken:
2 CO (g) + O2 (g) --> 2 CO2 (g)
ΔH = (221,0 kJ) + (-787,0 kJ) = -566,0 kJ
Aangezien de vergelijking vraagt om 1 mol CO2, niet 2, deel alle delen van de vergelijking door 2 om dit te bereiken.
CO (g) + 1/2 O2 (g) --> CO2 (g)
ΔH = -566,0 kJ/2 = -283,0 kJ
Methoden voor het meten van enthalpie
Calorimetrie is de wetenschappelijke meting van warmteoverdracht van een systeem naar de omgeving of vice versa. Er zijn twee soorten calorimeters; één waarin de druk constant blijft en de andere waar de druk kan veranderen. In een systeem met constante druk, als er een volumeverandering is, is er expansiewerk opgetreden. Een scenario waarin dit kan gebeuren, is wanneer een chemisch proces gassen bevat.