Как рассчитать изменение энтальпии

Изменение энтальпии реакции - это количество тепла, поглощаемого или выделяемого во время реакции, если она происходит при постоянном давлении. Вы выполняете расчет по-разному, в зависимости от конкретной ситуации и имеющейся информации. Для многих расчетов закон Гесса является ключевой информацией, которую вам необходимо использовать, но если вы знаете энтальпию продуктов и реагентов, расчет будет намного проще.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Вы можете рассчитать изменения энтальпии, используя простую формулу: ∆H = H_{продукты} - H_{реагенты}

Точное определение энтальпии (H) - это сумма внутренней энергии (U) плюс произведение давления (P) и объема (V). В символах это:

H = U + PV

Таким образом, изменение энтальпии (∆H) составляет:

∆H = ∆U + ∆P∆V

Где символ дельты (∆) означает «изменение». На практике давление поддерживается постоянным, и приведенное выше уравнение лучше представить как:

∆H = ∆U + P∆V

Однако при постоянном давлении изменение энтальпии - это просто переданное тепло (q):

∆H = q

Если (q) положительно, реакция эндотермическая (т.е. поглощает тепло из окружающей среды), а если отрицательная, реакция экзотермическая (т.е. выделяет тепло в окружающую среду). Энтальпия выражается в единицах кДж / моль или Дж / моль, или, как правило, энергия / масса. Приведенные выше уравнения действительно связаны с физикой теплового потока и энергии: термодинамикой.

Самый простой способ вычисления изменения энтальпии использует энтальпию продуктов и реагентов. Если вам известны эти количества, используйте следующую формулу, чтобы вычислить общее изменение:

∆H = H_{продукты} - H_{реагенты}

Добавление иона натрия к хлорид-иону с образованием хлорида натрия является примером реакции, которую вы можете рассчитать таким образом. Ионный натрий имеет энтальпию -239,7 кДж / моль, а хлорид-ион имеет энтальпию -167,4 кДж / моль. Хлорид натрия (поваренная соль) имеет энтальпию -411 кДж / моль. Вставка этих значений дает:

∆ЧАС = −411 кДж / моль - (−239,7 кДж / моль −167,4 кДж / моль)

= −411 кДж / моль - (−407,1 кДж / моль)

= −411 кДж / моль + 407,1 кДж / моль = −3,9 кДж / моль

Таким образом, при образовании соли на моль выделяется почти 4 кДж энергии.

Когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразное или из твердого в газообразное, в эти изменения вовлечены определенные энтальпии. Энтальпия (или скрытая теплота) плавления описывает переход от твердого тела к жидкости (обратное значение минус это значение и называется энтальпией плавления), энтальпия испарения описывает переход от жидкости к газу (и наоборот - конденсация), а энтальпия сублимации описывает переход от твердого тела к газу (обратное снова называется энтальпией конденсации).

Для воды энтальпия плавления ∆H_таяние = 6,007 кДж / моль. Представьте, что вы нагревали лед от 250 Кельвинов до тех пор, пока он не растает, а затем нагревали воду до 300 К. Изменение энтальпии для нагревательных частей - это просто необходимое количество тепла, поэтому вы можете найти его, используя:

∆H = nC∆T

Где (n) - количество молей, (∆T) - изменение температуры, а (C) - удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость льда составляет 38,1 Дж / К моль, а удельная теплоемкость воды - 75,4 Дж / К моль. Таким образом, расчет состоит из нескольких частей. Во-первых, лед необходимо нагреть от 250 K до 273 K (то есть от -23 ° C до 0 ° C). На 5 молей льда это:

∆H = nC∆T

= 5 моль × 38,1 Дж / К моль × 23 К

= 4,382 кДж

Теперь умножьте энтальпию плавления на количество молей:

∆H = n ∆H_таяние

= 5 моль × 6,007 кДж / моль

= 30,035 кДж

Расчеты для испарения такие же, за исключением энтальпии испарения вместо энтальпии плавления. Наконец, рассчитываем заключительную фазу нагрева (от 273 до 300 К) так же, как и первую:

∆H = nC∆T

= 5 моль × 75,4 Дж / К моль × 27 К

= 10,179 кДж

Суммируйте эти части, чтобы найти полное изменение энтальпии реакции:

∆H_общее = 10,179 кДж + 30,035 кДж + 4,382 кДж

= 44,596 кДж

Закон Гесса полезен, когда реакция, которую вы рассматриваете, состоит из двух или более частей, и вы хотите найти общее изменение энтальпии. Он утверждает, что изменение энтальпии для реакции или процесса не зависит от маршрута, по которому они происходят. Это означает, что если реакция трансформируется в одно вещество в другое, не имеет значения, происходит ли реакция на одном этапе (реагенты становятся продуктами сразу) или проходит много стадий (реагенты становятся посредниками, а затем становятся продуктами), результирующее изменение энтальпии одинаково в оба случая.

Обычно помогает нарисовать диаграмму (см. Ресурсы), чтобы помочь вам использовать этот закон. Один пример: если вы начнете с шести молей углерода в сочетании с тремя атомами водорода, они сгорают, чтобы соединиться с кислородом в качестве промежуточной стадии, а затем образуют бензол в качестве конечного продукта.

Закон Гесса гласит, что изменение энтальпии реакции является суммой изменений энтальпии обеих частей. В этом случае сгорание одного моля углерода имеет ∆H = -394 кДж / моль (это происходит шесть раз в реакции), изменение энтальпии сгорания одного моля газообразного водорода составляет ∆H = −286 кДж / моль (это происходит трижды), а диоксид углерода и вода-посредники становятся бензолом с изменением энтальпии ∆H = +3,267 кДж / моль.

Возьмите сумму этих изменений, чтобы найти общее изменение энтальпии, не забывая умножить каждое на количество молей, необходимых на первой стадии реакции:

∆H_общее = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 кДж / моль