Jak obliczyć zmianę entalpii

Zmiana entalpii reakcji to ilość ciepła pochłoniętego lub uwolnionego w trakcie reakcji, jeśli zachodzi przy stałym ciśnieniu. Obliczenia wykonujesz na różne sposoby, w zależności od konkretnej sytuacji i dostępnych informacji. W przypadku wielu obliczeń prawo Hessa jest kluczową informacją, której musisz użyć, ale jeśli znasz entalpię produktów i reagentów, obliczenia są znacznie prostsze.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Możesz obliczyć zmiany entalpii za pomocą prostego wzoru: ∆H = H_produkty − H_reagenty

Dokładna definicja entalpii (H) to suma energii wewnętrznej (U) plus iloczyn ciśnienia (P) i objętości (V). W symbolach jest to:

H = U + PV

Zmiana entalpii (∆H) jest zatem:

∆H = ∆U + ∆P∆V

Gdzie symbol delta (∆) oznacza „zmianę”. W praktyce ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie, a powyższe równanie lepiej przedstawia się jako:

∆H = ∆U + P∆V

Jednak dla stałego ciśnienia zmiana entalpii to po prostu ciepło (q) przekazywane:

∆H = q

Jeśli (q) jest dodatni, reakcja jest endotermiczna (tzn. pochłania ciepło z otoczenia), a jeśli jest ujemna, reakcja jest egzotermiczna (tzn. uwalnia ciepło do otoczenia). Entalpia ma jednostki kJ/mol lub J/mol, lub ogólnie energię/masę. Powyższe równania są naprawdę związane z fizyką przepływu ciepła i energii: termodynamiką.

Najbardziej podstawowy sposób obliczania zmiany entalpii wykorzystuje entalpię produktów i reagentów. Jeśli znasz te wielkości, użyj następującego wzoru, aby obliczyć ogólną zmianę:

∆H = H_produkty − H_reagenty

Dodanie jonu sodu do jonu chlorku w celu wytworzenia chlorku sodu jest przykładem reakcji, którą można obliczyć w ten sposób. Jonowy sód ma entalpię -239,7 kJ/mol, a jon chlorkowy ma entalpię 167,4 kJ/mol. Chlorek sodu (sól kuchenna) ma entalpię -411 kJ/mol. Wstawienie tych wartości daje:

∆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

Tak więc tworzenie się soli uwalnia prawie 4 kJ energii na mol.

Kiedy substancja zmienia się ze stałego w ciecz, z cieczy w gaz lub z ciała stałego w gaz, w tych zmianach biorą udział określone entalpie. Entalpia (lub ciepło utajone) topnienia opisuje przejście od ciała stałego do cieczy (odwrotność jest minus ta wartość i nazywana jest entalpią topnienia), entalpia parowania opisuje przejście od cieczy do gazu (i odwrotnie to kondensacja), a entalpia sublimacji opisuje przejście od ciała stałego do gazu (odwrotność nazywa się ponownie entalpią kondensacji).

W przypadku wody entalpia topnienia wynosi ∆H_topienie = 6,007 kJ/mol. Wyobraź sobie, że podgrzewasz lód od 250 kelwinów, aż się roztopi, a następnie podgrzewasz wodę do 300 K. Zmiana entalpii dla części grzewczych to tylko wymagane ciepło, więc możesz ją znaleźć za pomocą:

∆H = nC∆T

Gdzie (n) to liczba moli, (∆T) to zmiana temperatury, a (C) to ciepło właściwe. Ciepło właściwe lodu wynosi 38,1 J/K mol, a ciepło właściwe wody 75,4 J/K mol. Tak więc obliczenia odbywają się w kilku częściach. Po pierwsze, lód musi być podgrzany od 250 K do 273 K (tj. od -23°C do 0°C). Dla 5 moli lodu jest to:

∆H = nC∆T

= 5 mol × 38,1 J/K mol × 23 K

= 4,382 kJ

Teraz pomnóż entalpię topnienia przez liczbę moli:

∆H = n ∆H_topienie

= 5 mol × 6.007 kJ/mol

= 30,035 kJ

Obliczenia dla parowania są takie same, z wyjątkiem entalpii parowania zamiast entalpii topnienia. Na koniec oblicz końcową fazę nagrzewania (od 273 do 300 K) w taki sam sposób jak pierwszą:

∆H = nC∆T

= 5 mol × 75,4 J/K mol × 27 K

= 10,179 kJ

Zsumuj te części, aby znaleźć całkowitą zmianę entalpii dla reakcji:

H_całkowity = 10,179 kJ + 30,035 kJ + 4,382 kJ

= 44,596 kJ

Prawo Hessa jest przydatne, gdy reakcja, którą rozważasz, składa się z dwóch lub więcej części i chcesz znaleźć ogólną zmianę entalpii. Stwierdza, że ​​zmiana entalpii dla reakcji lub procesu jest niezależna od drogi, przez którą zachodzi. Oznacza to, że jeśli reakcja przekształca się na substancji w inną, nie ma znaczenia, czy reakcja zachodzi w jednym etapie (reagenty stają się produktami natychmiast) lub czy przechodzi przez wiele etapów (reagenty stają się pośrednikami, a następnie stają się produktami), wynikowa zmiana entalpii jest taka sama w oba przypadki.

Zwykle pomaga narysowanie diagramu (patrz Zasoby), który pomoże ci skorzystać z tego prawa. Jednym z przykładów jest to, że jeśli zaczniesz od sześciu moli węgla połączonych z trzema wodorami, spalają się, aby połączyć się z tlenem jako etapem pośrednim, a następnie tworzą benzen jako produkt końcowy.

Prawo Hessa mówi, że zmiana entalpii reakcji jest sumą zmian entalpii obu części. W tym przypadku spalenie jednego mola węgla ma ∆H = −394 kJ/mol (zdarza się to sześciokrotnie w reakcji), zmiana entalpii dla spalenia jednego mola wodoru gazowego to ∆H = -286 kJ/mol (zdarza się to trzykrotnie), a pośredniczący dwutlenek węgla i woda stają się benzenem ze zmianą entalpii ∆H = +3267 kJ/mol.

Zsumuj te zmiany, aby obliczyć całkowitą zmianę entalpii, pamiętając o pomnożeniu każdej przez liczbę moli potrzebnych w pierwszym etapie reakcji:

H_całkowity = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 kJ/mol