วิธีการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยาคือปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้น หากเกิดขึ้นที่ความดันคงที่ คุณทำการคำนวณด้วยวิธีต่างๆ โดยขึ้นอยู่กับสถานการณ์เฉพาะและข้อมูลที่คุณมี สำหรับการคำนวณหลายๆ อย่าง กฎของเฮสส์เป็นข้อมูลสำคัญที่คุณต้องใช้ แต่ถ้าคุณทราบค่าเอนทาลปีของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น การคำนวณจะง่ายกว่ามาก

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

คุณสามารถคำนวณการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีได้โดยใช้สูตรง่ายๆ: ∆H = H_{สินค้า} − โฮ_{สารตั้งต้น}

คำจำกัดความที่แม่นยำของเอนทาลปี (H) คือผลรวมของพลังงานภายใน (U) บวกผลคูณของความดัน (P) และปริมาตร (V) ในสัญลักษณ์ นี่คือ:

H = U + PV

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (∆H) จึงเป็นดังนี้:

∆H = ∆U + ∆P∆V

โดยที่สัญลักษณ์เดลต้า (∆) หมายถึง "การเปลี่ยนแปลง" ในทางปฏิบัติ ความดันจะคงที่และสมการข้างต้นแสดงได้ดีกว่าดังนี้:

∆H = ∆U + P∆V

อย่างไรก็ตาม สำหรับความดันคงที่ การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีเป็นเพียงการถ่ายเทความร้อน (q):

∆H = q

ถ้า (q) เป็นบวก ปฏิกิริยาจะเป็นดูดความร้อน (เช่น ดูดซับความร้อนจากสิ่งแวดล้อม) และหากเป็นลบ ปฏิกิริยาจะเป็นคายความร้อน เอนทัลปีมีหน่วยเป็น kJ/mol หรือ J/mol หรือโดยทั่วไป พลังงาน/มวล สมการข้างต้นเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของการไหลของความร้อนและพลังงานอย่างแท้จริง นั่นคือ อุณหพลศาสตร์

วิธีพื้นฐานที่สุดในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีคือการใช้เอนทาลปีของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น หากคุณทราบปริมาณเหล่านี้ ให้ใช้สูตรต่อไปนี้เพื่อคำนวณการเปลี่ยนแปลงโดยรวม:

∆H = H_{สินค้า} − โฮ_{สารตั้งต้น}

การเติมโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนเพื่อสร้างโซเดียมคลอไรด์เป็นตัวอย่างของปฏิกิริยาที่คุณสามารถคำนวณได้ด้วยวิธีนี้ โซเดียมไอออนิกมีเอนทาลปี −239.7 kJ/mol และคลอไรด์ไอออนมีเอนทาลปี -167.4 kJ/mol โซเดียมคลอไรด์ (เกลือแกง) มีเอนทาลปี -411 กิโลจูล/โมล การแทรกค่าเหล่านี้จะทำให้:

∆โฮ = −411 kJ/โมล – (−239.7 kJ/โมล −167.4 kJ/โมล)

= −411 kJ/โมล – (−407.1 kJ/โมล)

= −411 กิโลจูล/โมล + 407.1 กิโลจูล/โมล = −3.9 กิโลจูล/โมล

ดังนั้นการก่อตัวของเกลือจึงปล่อยพลังงานออกมาเกือบ 4 kJ ต่อโมล

เมื่อสารเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว ของเหลวเป็นก๊าซ หรือของแข็งเป็นก๊าซ มีเอนทาลปีเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ เอนทาลปี (หรือความร้อนแฝง) ของการหลอมละลายอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงจากของแข็งเป็นของเหลว (สิ่งที่ตรงกันข้ามคือลบค่านี้และเรียกว่าเอนทาลปีของการหลอมเหลว) เอนทาลปีของการกลายเป็นไออธิบาย การเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซ (และตรงกันข้ามคือการควบแน่น) และเอนทาลปีของการระเหิดอธิบายการเปลี่ยนแปลงจากของแข็งเป็นก๊าซ (สิ่งที่ตรงกันข้ามเรียกว่าเอนทาลปีของการควบแน่นอีกครั้ง)

สำหรับน้ำ เอนทาลปีของการหลอมเหลวคือ ∆H_{ละลาย} = 6.007 กิโลจูล/โมล ลองนึกภาพว่าคุณอุ่นน้ำแข็งจาก 250 เคลวินจนน้ำแข็งละลาย จากนั้นให้ความร้อนน้ำถึง 300 K การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีสำหรับชิ้นส่วนทำความร้อนเป็นเพียงความร้อนที่ต้องการ ดังนั้นคุณสามารถค้นหาโดยใช้:

∆H = nC∆T

โดยที่ (n) คือจำนวนโมล (∆T) คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและ (C) คือความร้อนจำเพาะ ความร้อนจำเพาะของน้ำแข็งคือ 38.1 J/K โมล และความร้อนจำเพาะของน้ำคือ 75.4 J/K โมล ดังนั้นการคำนวณเกิดขึ้นในบางส่วน ขั้นแรก น้ำแข็งจะต้องถูกทำให้ร้อนจาก 250 K ถึง 273 K (เช่น −23 °C ถึง 0°C) สำหรับน้ำแข็ง 5 โมล นี่คือ:

∆H = nC∆T

= 5 โมล × 38.1 J/K โมล × 23 K

= 4.382 kJ

ตอนนี้คูณเอนทาลปีของการหลอมด้วยจำนวนโมล:

∆H = น ∆H_{ละลาย}

= 5 โมล × 6.007 kJ/โมล

= 30.035 kJ

การคำนวณสำหรับการกลายเป็นไอจะเหมือนกัน ยกเว้นกับเอนทาลปีของการกลายเป็นไอแทนการหลอมละลาย สุดท้าย คำนวณระยะการให้ความร้อนขั้นสุดท้าย (จาก 273 ถึง 300 K) ในลักษณะเดียวกับขั้นตอนแรก:

∆H = nC∆T

= 5 โมล × 75.4 J/K โมล × 27 K

= 10.179 kJ

รวมส่วนเหล่านี้เพื่อหาการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดของเอนทัลปีสำหรับปฏิกิริยา:

∆H_รวม = 10.179 kJ + 30.035 kJ + 4.382 kJ

= 44.596 kJ

กฎของเฮสส์มีประโยชน์เมื่อปฏิกิริยาที่คุณกำลังพิจารณามีสองส่วนขึ้นไป และคุณต้องการค้นหาการเปลี่ยนแปลงโดยรวมของเอนทัลปี ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีสำหรับปฏิกิริยาหรือกระบวนการไม่ขึ้นกับเส้นทางที่เกิดขึ้น ซึ่งหมายความว่าหากปฏิกิริยาเปลี่ยนรูปบนสารเป็นอีกสารหนึ่ง ไม่สำคัญว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในขั้นตอนเดียวหรือไม่ (สารตั้งต้นจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ ทันที) หรือไม่ว่าจะผ่านหลายขั้นตอน (สารตั้งต้นกลายเป็นตัวกลางแล้วกลายเป็นผลิตภัณฑ์) การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีที่เป็นผลลัพธ์จะเหมือนกันใน ทั้งสองกรณี

การวาดไดอะแกรมมักจะช่วย (ดูแหล่งข้อมูล) เพื่อช่วยให้คุณใช้กฎหมายนี้ ตัวอย่างหนึ่งคือ ถ้าคุณเริ่มต้นด้วยคาร์บอน 6 โมลรวมกับไฮโดรเจน 3 ตัว พวกมันจะเผาไหม้เพื่อรวมกับออกซิเจนเป็นขั้นตอนตัวกลาง แล้วสร้างเบนซินเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้าย

กฎของเฮสส์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยาเป็นผลรวมของการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของทั้งสองส่วน ในกรณีนี้ การเผาไหม้ของคาร์บอนหนึ่งโมลมีค่า ∆H = −394 kJ/mol (ซึ่งเกิดขึ้นหกครั้งในปฏิกิริยา) การเปลี่ยนแปลงของเอนทัลปีสำหรับการเผาไหม้หนึ่งโมล ของก๊าซไฮโดรเจนคือ ∆H = −286 kJ/mol (เกิดขึ้นสามครั้ง) และคาร์บอนไดออกไซด์และตัวกลางน้ำจะกลายเป็นเบนซีนด้วยการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของ ∆H = +3,267 กิโลจูล/โมล

นำผลรวมของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มาเพื่อหาการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีทั้งหมด โดยจำไว้ว่าให้คูณแต่ละค่าด้วยจำนวนโมลที่จำเป็นในขั้นตอนแรกของปฏิกิริยา:

∆H_รวม = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 กิโลจูล/โมล