Muodostumislämmön määritelmä

Muodostumislämpö, ​​jota kutsutaan myös muodostumisentalpiaksi tai muodostumisen standardientalpiaksi, on lämmön määrä, joka liittyy prosessiin, jossa muodostuu 1 mooli kemiallista ainetta sen alkuaineista, kun ne ovat standarditilassaan, eli . sen vakain luonnollinen muoto 25 °C:ssa. Tässä mielessä muodostumislämpö edustaa entalpia-eroa tuotteiden ja lähtöaineiden välillä 25 °C:ssa suoritetussa kemiallisessa reaktiossa, jossa ainoa tuote on 1 mooli kiinnostavaa ainetta, kun taas lähtöaine tai lähtöaineet ovat alkuaineita, jotka muodostaa mainitun aineen sen stabiilimpaan luonnolliseen tilaan mainitussa lämpötilassa.

Muodostumisentalpiaa edustaa symboli Δ _f H° _X , jossa f osoittaa, että se on aineen X muodostumisentalpia (X vastaa muodostuvan aineen kemiallista kaavaa tai nimeä) ja symboli ° on käytetään edustamaan normaaleja reaktio-olosuhteita, tässä tapauksessa T = 25 °C tai 298,15 K.

Esimerkiksi veden muodostumislämpö esitetään muodossa Δ _f H° _H2O ja se vastaa seuraavan 25 °C:ssa suoritetun reaktion entalpia-eroa:

Hyvän käytännön huomautus: Aikaisemmin oli yleistä sijoittaa muodostumisen f H:n alaindeksiksi, kun se edustaa entalpiaa tai muodostumislämpöä (eli ΔH _f ° _X ). Käsitteellisesti tämä on kuitenkin virhe, koska entalpia (H) on aineen ominaisuus, ei aineen muodostumisprosessin ominaisuus, joten siinä ei pitäisi olla f-kirjainta. Toisaalta loppu- ja alkutilan eroa kuvaava symboli Δ (delta) liittyy muodostumisprosessiin, minkä vuoksi tällä hetkellä f on sijoitettu sen alaindeksiksi.

muodostumisreaktiot

Yllä oleva on esimerkki muodostusreaktiosta (veden muodostusreaktiosta). Tärkeitä yksityiskohtia, jotka on otettava huomioon muodostumisreaktion tunnistamiseksi:

• Tuotteita saa olla vain yksi (tässä tapauksessa H ₂ O).
• Tuotteen stoikiometrisen kertoimen tulee olla 1.
• Kaikkien lähtöaineiden on oltava alkuaineaineita (tässä tapauksessa vetyä ja happea), ei yhdisteitä.
• Jokaisen läsnä olevan reagenssin allotroopin on vastattava stabiiliinta allotrooppia standardiolosuhteissa (alkuaineen vetyssä se on molekyylivetykaasua ja hapen tapauksessa se on molekyylihappikaasua).

Tavarat vakiotilassa

Joitakin esimerkkejä elementeistä niiden vastaavissa vakaimmissa luonnollisissa olosuhteissa normaaleissa olosuhteissa ovat:

Mikä on entalpia?

Entalpia on tilafunktio, joka kuvaa järjestelmää, kuten kemiallista yhdistettä, männän sisällä olevaa paineistettua kaasua tai jopa tähtiä kiertävää planeettaa. Tätä ominaisuutta edustaa symboli H (joka tulee englanninkielisestä sanasta lämpö, ​​lämpö ) ja termodynaamisesta näkökulmasta se määritellään järjestelmän sisäisen energian (U) ja sen paineen tulona. ja sen määrä (tuote PV). Tarkoittaen:

Lukuun ottamatta hyvin yksinkertaisia ​​järjestelmiä, kuten ideaalikaasuja, absoluuttista entalpiaa (H) ei voida mitata kokeellisesti tai helposti laskea. Tämä johtuu siitä, että suhteellisen monimutkaisissa järjestelmissä sisäisen energian (U) määrittäminen on äärimmäisen monimutkaista, koska liian monta muuttujaa, jotka tulevat järjestelmän muodostavien hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista, on otettava huomioon.

Kuten seuraavassa osiossa nähdään, entalpian vaihtelua eri prosessien aikana voidaan kuitenkin mitata kokeellisesti, mikä mahdollistaa suhteellisten entalpiaarvojen määrittämisen, joissa muodostumisentalpioilla on olennainen rooli.

Onko se reaktiolämpö vai reaktioentalpia?

Entalpian termodynaamisesta määritelmästä (H=U+PV) johtuen voidaan matemaattisesti osoittaa, että vakiopaineessa suoritetun prosessin entalpian muutos (ΔH) on yhtä suuri kuin järjestelmän mainitun prosessin aikana vapauttama tai absorboima lämpö. käsitellä asiaa. Eli yleisesti:

jossa Q _P edustaa lämpöä vakiopaineessa. Tämä tarkoittaa, että vaikka emme voi mitata H:ta, voimme mitata ΔH, koska lämpöä voidaan mitata. Jotain vastaavaa tapahtuu sähköpotentiaalilla tai jännitteellä V, jota emme voi mitata suoraan volttimittarilla, mutta voimme mitata jännitteen eron ΔV. Tämä avaa mahdollisuuden muodostaa suhteellinen entalpiaasteikko, jos löydämme tai määrittelemme referenssijärjestelmän, johon liitämme nollan arvon.

Jännitteen tapauksessa nolla on yleensä maajännite. Entalpian tapauksessa nolla koostuu puhtaista alkuaineista normaalitilassaan tai stabiilisimmasta luonnollisesta allotroopista 25 °C:ssa.

Pro-vinkki: Oikea tapa viitata prosessin entalpiaan muodostumisreaktiona pitäisi olla ”entalpian muutos”, koska se on ΔH. Tämä mahdollistaisi sen erottamisen absoluuttisesta entalpiasta tai H:sta. Koska muodostumisreaktio on kuitenkin ilmeisesti muutosprosessi alkutilasta lopulliseen, sana ”variaatio” on sanomattakin selvää. Joten aina kun puhutaan prosessin entalpiasta, puhutaan ΔH:n arvosta, kun taas kun puhutaan järjestelmän entalpiasta puhtaana aineena tietyssä tilassa, puhutaan absoluuttisesta entalpiasta (H ). .

Muodostumislämmön yksiköt

Koska entalpia on energian ja PV-tulon summa ja lisäksi entalpia-ero edustaa myös lämpöä vakiopaineessa, muodostumislämmön yksiköt ovat energiayksiköitä moolia kohden ([Energia]/mol tai [Energia ].mol). ^-1 ). Useimmiten yksiköt ovat kJ.mol ^-1 , mutta joissain tapauksissa käytetään myös kcal.mol ^{-1 .}

Miten muodostumislämpö mitataan?

Kemiallisen aineen muodostumislämpöä ei yleensä mitata suoraan, koska muodostumisreaktiota ei useimmissa tapauksissa voida suorittaa. Laboratoriossa voidaan suorittaa vain kourallinen muodostusreaktioita, kuten veden muodostus polttamalla vetykaasua tai hiilidioksidin muodostus polttamalla hiiligrafiittia.

Kuitenkaan ei ole mahdollista tuottaa kemiallista yhdistettä, kuten bentseeniä, suoraan grafiittihiilestä ja vedystä. Ratkaisu tähän ongelmaan löytyy Hessin laista . Sen sijaan tehdään se, että mitataan reaktion lämpöä, jossa aine on osallisena, ja siihen liittyy myös aineita, joiden muodostumisentalpiat tiedämme. Hyvin yleinen esimerkki on palamisreaktioiden käyttö, koska hapen muodostumisen entalpia on määritelmän mukaan nolla ja veden ja hiilidioksidin entalpia voidaan mitata suoraan, kuten juuri selitimme.

Esimerkki:

_{Oletetaan, että haluamme määrittää bentseenin (C 6} H ₆ ) muodostumislämmön . Tässä tapauksessa polttaisimme bentseeniä, jonka kemiallinen yhtälö on esitetty alla, ja mittaamme reaktion entalpiaa:

_{Sitten käyttämällä Hessin lakia ja CO 2:} n ja H ₂ O :n muodostumislämpöjä , bentseenin muodostumislämpö osoittautuu:

Mutta miten reaktioiden, kuten palamisen, entalpia mitataan? Se tehdään käyttämällä tekniikkaa nimeltä kalorimetria.

kalorimetria

Reaktioentalpiat mitataan kalorimetrialla. Tämä tekniikka koostuu kemiallisen reaktion suorittamisesta tunnetun kokonaislämpökapasiteetin (C _{Cal )} kalorimetrissä , jonka jälkeen mitataan kalorimetrin lämpötilan muutos, joka johtuu reaktiosta vapautuvasta tai absorboituneesta lämmöstä (ΔT = T f _– T _minä ). Tätä lämpötilan muutosta käytetään laskemaan kalorimetrin vapauttaman tai absorboiman lämmön määrä (joka on negatiivinen reaktion absorboima tai vapautunut lämpö) käyttämällä seuraavaa yhtälöä:

Kalorimetrejä on kahta päätyyppiä: ne, jotka toimivat vakiopaineella ja ne, jotka toimivat vakiotilavuudella. Vakiopainekalorimetriassa edellisen yhtälön mukaan laskettu lämpö mittaa suoraan reaktion entalpiaa (Q _r = Δ _r H° = – Q _Cal , muista, että prosessin entalpia vakiopaineessa on yhtä suuri kuin lämpö mainitusta prosessista). Tätä tekniikkaa ei kuitenkaan aina ole helppo toteuttaa.

Vakiotilavuuskalorimetrit ovat yleisempiä ja helpompia käyttää. Seuraavassa kuvassa on kaavio tyypillisestä vakiotilavuuskalorimetristä, joka osoittaa sen osat.

Vakiotilavuuskalorimetrialla mitattu lämpö edustaa reaktiosta johtuvaa järjestelmän sisäisen energian muutosta, ei entalpiaa. Tämä liittyy kuitenkin reaktion entalpiaan seuraavan yhtälön kautta:

Missä Δ _r n _kaasu edustaa vaihtelua kaasumoolien lukumäärässä kemiallisen reaktion tuotteiden ja lähtöaineiden välillä. Tästä yhtälöstä saadaan reaktion entalpia seuraavasti:

Mihin muodostumisentalpiaa tai muodostumislämpöä käytetään?

# 1 Sitä käytetään määrittämään reaktioentalpiat.

Entalpia noudattaa Hessin lakia, joka on tapa ilmaista, että entalpia on tilafunktio. Tämä laki sanoo, että ”kun reagoivat aineet muuttuvat tuotteiksi kemiallisen reaktion aikana, entalpian muutos on sama riippumatta siitä, suoritetaanko reaktio yhdessä vaiheessa vai useissa vaiheissa. ” Toisin sanoen Hessin laki sanoo, että entalpian muutos on riippumaton reagensseista tuotteisiin kulkevasta reitistä.

Eräs Hessin lain seuraus on, että koska voimme kirjoittaa muodostumisreaktioita mille tahansa olemassa olevalle yhdisteelle ja koska voimme manipuloida muodostusreaktioita halutessasi, niin kauan kuin muutokset heijastuvat muunnettujen reaktioiden entalpiassa, voimme kirjoittaa mikä tahansa kemiallinen reaktio reaktioon osallistuvien lähtöaineiden ja tuotteiden muodostumisentalpioiden perusteella. Yleensä voimme kirjoittaa tämän seuraavankaltaiselle yleiselle reaktiolle:

reaktion entalpia (Δ _r H°) saadaan kaavalla

Tai yleisemmin:

Missä ν _j ja ν _i edustavat kunkin tuotteen ja lähtöaineen stoikiometrisiä kertoimia, vastaavasti, ja Δ _f H _j ° ja Δ _f H _i ° edustavat kunkin tuotteen ja lähtöaineen muodostumislämpöjä, vastaavasti.

#2 Ne edustavat kemiallisten aineiden suhteellisen entalpian arvoa niiden standarditilassa.

Kuten aiemmin mainitsimme, puhtaat alkuaineet standarditilassaan tai stabiilimmin luonnollinen allotrooppi 25 °C:ssa edustavat vertailupistettä suhteellisen entalpia-asteikon määrittämisessä. Tämä johtuu siitä, että muodostumisreaktioiden määritelmän mukaan puhtaiden alkuaineiden muodostumisen entalpian niiden vakaimmassa luonnollisessa tilassa on oltava nolla, koska niiden muodostumisreaktiolla olisi sama lähtöaine ja sama tuote (se olisi nollareaktio).

Koska tähän muodostumisreaktioon ei itse asiassa liity tilanmuutosta, niin tämän reaktion entalpian, joka on yhtä suuri kuin lopullinen entalpia miinus alkuentalpia, on oltava nolla, koska molemmat tilat ovat yhtä suuret.

Esimerkiksi reaktio happikaasun muodostumiselle 25 °C:ssa saadaan seuraavasti:

Sitten tämän reaktion entalpia, jonka on oltava yhtä suuri kuin hapen muodostumisen entalpia, saadaan kaavalla:

Tämän avulla voimme mitata reaktion entalpiat, kuten näimme aiemmin.

Samankaltaista päättelyä noudattaen voidaan määrittää myös alkuaineiden absoluuttinen entalpia niiden vakaimmassa luonnollisessa tilassa nollaksi, jolloin eri aineiden muodostumisentalpioista (Δ f H X °) tulee alla olevien _aineiden suhteellisia entalpioita _. standardiolosuhteet (H _X °).

Esimerkiksi edellä kuvatun veden muodostumisen tapauksessa:

Jos määritämme vedyn ja hapen entalpiat nollaksi, niin saadaan, että veden muodostumisen entalpia on yhtä suuri kuin veden standardientalpia tällä suhteellisella asteikolla:

Tämä entalpia on erittäin tärkeä, koska laskemalla tai mittaamalla entalpiavaihteluita voimme muuttaa nämä standardiolosuhteissa olevat suhteelliset entalpiat suhteellisiksi entalpioiksi missä tahansa muissa olosuhteissa (esimerkiksi muissa lämpötiloissa tai paineissa). Tämä on erityisen hyödyllistä tutkittaessa kemiallisten reaktioiden ja faasimuutosten energianvaihtoa epästandardeissa olosuhteissa, joten on yleistä saada entalpiataulukoita yleisesti käytetyille aineille, kuten vedelle ja muille liuottimille, polttoaineille ja muille kemiallisille aineille. ja paineet, kaikki laskettu muodostumisen entalpioista.

Viitteet

Atkins, P. ja dePaula, J. (2010). Atkins. Physical Chemistry (8. ^painos ). Panamerican Medical Editorial.

Byjus. (2021, 22. maaliskuuta). Entalpian muutoksen mittaaminen . https://byjus.com/chemistry/measurement-of-enthalpy-and-internal-energy-change/

Chang, R. (2012). Kemia (11. ^painos ). McGraw-Hill koulutus.

Encyclopaedia Britannican toimittajat. (2020, 9. huhtikuuta). Entalpia | Määritelmä, yhtälö ja yksiköt . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/enthalpy

Planas, O. (2019, 25. syyskuuta). Mikä on entalpia? Aurinkoenergia. https://solar-energia.net/termodinamica/propiedades-termodinamicas/entalpia

Kansallinen teknillinen yliopisto. (nd). ENTALPIAN KOOSTUMUSKAAVIOT . https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/diagramas_de_entalpia_composicion.pdf