Beispielproblem zur Berechnung der Enthalpieänderung

Enthalpie (H) ist eine thermodynamische Eigenschaft, die als Summe der inneren Energie eines thermodynamischen Systems (U) und dem Produkt aus Druck und Volumen (PV) definiert ist. Das heißt, die Enthalpie ist definiert als:

Diese Eigenschaft ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine staatliche Funktion ist. Das bedeutet, dass der Wert der Enthalpie eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt nur von dem Zustand abhängt, in dem es sich befindet, und nicht von dem Zustand unmittelbar davor oder danach. Das heißt, die Enthalpie hängt nicht von dem Weg ab, der das System zu dem Zustand geführt hat, in dem es sich befindet, sondern nur davon, was der aktuelle Zustand ist.

Enthalpieänderung

Die Definition der Enthalpie als Zustandsfunktion hat mehrere Implikationen. Eine davon ist, dass, wenn ein System eine Zustandsänderung erfährt, diese Änderung wiederum eine Änderung der Enthalpie des Systems implizieren kann. Mit anderen Worten, jeder Prozess, dem ein System ausgesetzt ist, hat eine damit verbundene Änderung oder Variation der Enthalpie; diese Variation wird als ΔH bezeichnet und kann positiv, negativ oder sogar null sein.

Aufgrund der Definition der Enthalpie und als Folge des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist die Enthalpieänderung eines Prozesses, bei dem das System bei konstantem Druck nur Expansionsarbeit verrichtet, gleich der Wärme, die dieses System aufnimmt. Mit anderen Worten, in Ermangelung anderer Arten von Arbeit,

wobei qP die vom System während eines Prozesses bei konstantem Druck aufgenommene Wärme _{ist .} Dieses Ergebnis ist von großer Bedeutung, da eine Vielzahl chemischer Reaktionen bei konstantem Druck ablaufen; Aus diesem Grund ermöglicht die experimentelle Messung der bei diesen Prozessen freigesetzten oder aufgenommenen Wärmemengen eine indirekte Messung der Enthalpieänderung des Systems.

Diese Eigenschaft führt zur sogenannten Thermochemie, die nichts anderes ist als der Teil der Thermodynamik (oder Chemie), der die durch das Auftreten chemischer Reaktionen verursachte Wärmeübertragung untersucht.

Hesssches Gesetz

Die zweite Implikation, dass die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, wird in Form des Hessschen Gesetzes ausgedrückt. In Bezug auf chemische Reaktionen besagt dieses Gesetz: „Wenn Reaktanten in Produkte umgewandelt werden, ist die Enthalpieänderung gleich, unabhängig davon, ob die Reaktion in einem einzigen Schritt oder in einer Reihe von Schritten durchgeführt wird.“ Das heißt, wenn wir mit Reaktant A beginnen und mit Produkt B enden, ist das ΔH dieser Reaktion unabhängig von der Art und Weise, wie die Reaktion ablief. Dies wiederum impliziert, dass wir das ΔH einer Reaktion berechnen können, indem wir einfach die ΔH-Werte einer Reihe von Reaktionen addieren, die es schaffen, dieselben Reaktanten in dieselben Produkte umzuwandeln. Letzteres ist eine der gebräuchlichsten Praktiken in der Thermochemie und genau darum geht es im folgenden Beispielproblem.

Problem der Berechnung der Enthalpieänderung einer Reaktion mit dem Hessschen Gesetz gelöst

Stellungnahme:

Berechnen Sie die Enthalpieänderung für die folgende Reaktion mit dem Hessschen Gesetz,

Gegeben sind die Enthalpien der folgenden Reaktionen:

Lösung

Um die Enthalpievariation oder -änderung unter Verwendung des Hessschen Gesetzes zu berechnen, müssen wir einen Weg finden, die chemischen Gleichungen, die uns als Daten gegeben werden, so zu kombinieren, dass sie, wenn sie addiert werden, die Gleichung der chemischen Reaktion ergeben, deren Enthalpieänderung wir berechnen möchten.

Dies beinhaltet die Manipulation chemischer Gleichungen auf verschiedene Weise, einschließlich ihrer Umkehrung, Multiplikation mit konstanten Werten oder Division durch konstante Werte. Das Wichtigste, was Sie beachten sollten, ist, dass alles, was mit der chemischen Gleichung gemacht wird, auch mit ihrem Wert von ΔH gemacht werden muss. Das ist:

1. Beim Umkehren oder Umdrehen einer thermochemischen Gleichung muss auch das Vorzeichen ihrer Enthalpieänderung umgekehrt werden.
2. Wird eine ganze Gleichung mit einer Konstanten multipliziert, dann muss auch die Enthalpieänderung mit derselben Konstante multipliziert werden.
3. Wenn man eine chemische Gleichung durch eine Konstante dividiert, dann muss auch die Enthalpieänderung durch dieselbe Konstante dividiert werden.

Schauen wir uns die Schritte an, die erforderlich sind, um diese Prinzipien effektiv anzuwenden:

Schritt 1: Suchen Sie die Reaktanten und Produkte, die in den gegebenen Reaktionen auf der richtigen Seite der Gleichung erscheinen

Eine allgemeine Strategie, die bei den meisten dieser Probleme angewendet werden kann, besteht darin, in allen Reaktionen, die uns als Daten vorliegen, nacheinander nach den Reaktanten und Produkten der unbekannten Reaktion zu suchen, dh derjenigen, deren Enthalpie wir berechnen möchten . Als nächstes müssen Sie sicherstellen, dass die Verbindung, an der Sie interessiert sind, auf der rechten Seite der Gleichung steht; andernfalls wird die Gleichung umgekehrt.

In der vorliegenden Aufgabe interessieren wir uns beispielsweise für elementares Aluminium und Eisenoxid, die unter den Reaktanten von Reaktionen auftreten, deren Enthalpien bekannt sind. Wie man sieht, impliziert dies die Umkehrung beider Gleichungen sowie die Umkehrung des Vorzeichens ihrer Enthalpieänderungen:

Schritt 2: Multiplizieren oder dividieren Sie die stöchiometrischen Koeffizienten, falls erforderlich

Es versteht sich, dass die Summe der gegebenen chemischen Gleichungen die unbekannte Gleichung ergeben soll. Dies impliziert, dass jede Spezies, die nicht in der letzten vorkommt, gestrichen werden muss und alle anderen Spezies die entsprechenden stöchiometrischen Koeffizienten haben müssen.

In unserem Problem ist ersichtlich, dass die als Daten angegebenen Reaktionen molekularen Sauerstoff beinhalten, der in der gesuchten Reaktion nicht vorhanden ist, also müssen wir sicherstellen, dass er sich aufhebt, wenn wir die Gleichungen hinzufügen. Damit dies geschieht und außerdem die Koeffizienten von Eisen und Eisenoxid korrekt sind, muss die zweite Gleichung durch 2 geteilt werden, ebenso wie ihre Enthalpie. Das heißt:

Was dazu führt:

Schritt 3: Fügen Sie die Gleichungen hinzu

Indem alle Reaktanten und Produkte auf der richtigen Seite und mit den richtigen Koeffizienten stehen, können die Gleichungen und ihre jeweiligen Enthalpien addiert werden, um die gesuchte Enthalpie zu erhalten:

Antworten:

Die Reaktion zwischen Aluminium und Eisenoxid zu Eisen und Aluminiumoxid hat eine Standard-Enthalpieänderung von -845,6 kJ/mol.

Verweise

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