Hur man beräknar entalpiförändring

Enhalpiförändringen av en reaktion är den mängd värme som absorberas eller frigörs när reaktionen äger rum, om det sker vid ett konstant tryck. Du gör beräkningen på olika sätt beroende på den specifika situationen och vilken information du har tillgänglig. För många beräkningar är Hess lag den viktigaste informationen du behöver använda, men om du känner till entalpi av produkterna och reaktanterna är beräkningen mycket enklare.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Du kan beräkna förändringar i entalpi med den enkla formeln: ∆H = H_Produkter - H_reaktanter

Den exakta definitionen av entalpi (H) är summan av den inre energin (U) plus produkten av tryck (P) och volym (V). I symboler är detta:

H = U + PV

En förändring av entalpi (∆H) är därför:

∆H = ∆U + ∆P∆V

Där deltasymbolen (∆) betyder "förändring i." I praktiken hålls trycket konstant och ovanstående ekvation visas bättre som:

∆H = ∆U + P∆V

För ett konstant tryck är emellertid förändringen i entalpi helt enkelt den överförda värmen (q):

∆H = q

Om (q) är positiv är reaktionen endoterm (dvs absorberar värme från omgivningen), och om den är negativ är reaktionen exoterm (dvs släpper ut värme i omgivningen). Enthalpy har enheter av kJ / mol eller J / mol, eller i allmänhet, energi / massa. Ekvationerna ovan är verkligen relaterade till fysiken i värmeflöde och energi: termodynamik.

Det mest grundläggande sättet att beräkna entalpiändring använder produktens och reaktanternas entalpi. Om du känner till dessa mängder, använd följande formel för att räkna ut den totala förändringen:

∆H = H_Produkter - H_reaktanter

Tillsatsen av en natriumjon till en kloridjon för att bilda natriumklorid är ett exempel på en reaktion som du kan beräkna på detta sätt. Joniskt natrium har en entalpi av -239,7 kJ / mol och kloridjon har entalpi -167,4 kJ / mol. Natriumklorid (bordssalt) har en entalpi av −411 kJ / mol. Att infoga dessa värden ger:

∆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

Så bildandet av salt frigör nästan 4 kJ energi per mol.

När ett ämne byter från fast till flytande, flytande till gas eller fast till gas, är det specifika entalpi involverade i dessa förändringar. Smältets entalpi (eller latent värme) beskriver övergången från fast till vätska (det omvända är minus detta värde och kallas fusionsens entalpi), förångningens entalpi beskriver övergång från vätska till gas (och motsatsen är kondens) och sublimeringens entalpi beskriver övergången från fast till gas (det omvända kallas åter kondensens entalpi).

För vatten är smält entalpi ∆H_smältande = 6,007 kJ / mol. Tänk dig att du värmer is från 250 Kelvin tills den smälter och värmer sedan vattnet till 300 K. Enhalpibyte för värmedelarna är bara den värme som krävs, så att du kan hitta den med:

∆H = nC∆T

Där (n) är antalet mol, (∆T) är temperaturförändringen och (C) är den specifika värmen. Den specifika värmen för is är 38,1 J / K mol och den specifika värmen för vatten är 75,4 J / K mol. Så beräkningen sker i några delar. Först måste isen värmas upp från 250 K till 273 K (dvs. -23 ° C till 0 ° C). För 5 mol is är detta:

∆H = nC∆T

= 5 mol × 38,1 J / K mol × 23 K

= 4,382 kJ

Multiplicera nu entalpi av smältning med antalet mol:

∆H = n ∆H_smältande

= 5 mol × 6,007 kJ / mol

= 30,035 kJ

Beräkningarna för förångning är desamma, förutom med förångningsentalpi i stället för den smältande. Slutligen beräknar du den slutliga uppvärmningsfasen (från 273 till 300 K) på samma sätt som den första:

∆H = nC∆T

= 5 mol × 75,4 J / K mol × 27 K

= 10,179 kJ

Sammanfatta dessa delar för att hitta den totala förändringen i entalpi för reaktionen:

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

= 44,596 kJ

Hess lag är användbar för när reaktionen du överväger har två eller flera delar och du vill hitta den övergripande förändringen i entalpi. Den säger att entalpiändringen för en reaktion eller process är oberoende av vägen genom vilken den sker. Det betyder att om reaktionen förvandlas till substans till en annan, spelar det ingen roll om reaktionen sker i ett steg (reaktanter blir produkter omedelbart) eller om det går igenom många steg (reaktanter blir mellanhänder och sedan blir produkter), blir den resulterande entalpiförändringen densamma i båda fallen.

Det hjälper vanligtvis att rita ett diagram (se Resurser) som hjälper dig att använda denna lag. Ett exempel är om du börjar med sex mol kol kombinerat med tre väte, de förbränns för att kombinera med syre som ett mellanliggande steg och sedan bilda bensen som slutprodukt.

Hess lag säger att förändringen i entalpi av reaktionen är summan av förändringarna i entalpi hos båda delarna. I detta fall har förbränningen av en mol kol ∆H = −394 kJ / mol (detta händer sex gånger i reaktionen), förändringen i entalpi för förbränningen av en mol vätgas är ∆H = −286 kJ / mol (detta händer tre gånger) och koldioxid- och vattenförmedlingarna blir bensen med en entalpiförändring på ∆H = + 3267 kJ / mol.

Ta summan av dessa förändringar för att hitta den totala entalpiförändringen, kom ihåg att multiplicera var och en med antalet mol som behövs i reaktionens första steg:

∆H_total = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 kJ / mol