Entalpian muutoksen laskennan esimerkkiongelma

Entalpia (H) on termodynaaminen ominaisuus, joka määritellään termodynaamisen järjestelmän sisäisen energian (U) ja sen paineen ja tilavuuden (PV) tulona. Eli entalpia määritellään seuraavasti:

Tälle ominaisuudelle on tunnusomaista se, että se on tilafunktio. Tämä tarkoittaa, että järjestelmän entalpian arvo tietyllä hetkellä riippuu vain tilasta, jossa se on, eikä tilasta välittömästi sitä edeltävästä tai sen jälkeen tulevasta. Eli entalpia ei riipu polusta, joka johti järjestelmän tilaan, jossa se on, vaan vain siitä, mikä nykyinen tila on.

entalpian muutos

Entalpian määritelmällä tilafunktiona on useita seurauksia. Yksi niistä on, että kun järjestelmässä tapahtuu tilanmuutos, tämä muutos voi puolestaan ​​tarkoittaa muutosta järjestelmän entalpiassa. Toisin sanoen jokaiseen prosessiin, jolle järjestelmä altistetaan, liittyy entalpian muutos tai vaihtelu; tätä vaihtelua merkitään ΔH ja se voi olla positiivinen, negatiivinen tai jopa nolla.

Entalpian määritelmästä johtuen ja termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön seurauksena prosessin entalpian muutos, jossa järjestelmä vain suorittaa laajennustyötä vakiopaineessa, on yhtä suuri kuin lämpö, ​​jonka mainittu järjestelmä absorboi. Toisin sanoen muunlaisen työn puuttuessa

missä qP _on lämpö, ​​jonka järjestelmä absorboi prosessin aikana vakiopaineessa. Tämä tulos on erittäin tärkeä, koska suuri määrä kemiallisia reaktioita tapahtuu vakiopaineessa; Tästä syystä näiden prosessien aikana vapautuvan tai absorboituneen lämmön määrän kokeellinen mittaus mahdollistaa epäsuorasti järjestelmän entalpian muutoksen mittaamisen.

Tämä ominaisuus synnyttää niin sanotun lämpökemian, joka ei ole muuta kuin termodynamiikan (tai kemian) osa, joka tutkii kemiallisten reaktioiden aiheuttamia lämmönsiirtoja.

Hessin laki

Toinen implikaatio, jonka mukaan entalpia on tilafunktio, ilmaistaan ​​Hessin lain muodossa. Kemiallisiin reaktioihin liittyen tämä laki sanoo, että ”kun lähtöaineet muutetaan tuotteiksi, entalpian muutos on sama riippumatta siitä, suoritetaanko reaktio yhdessä vaiheessa vai sarjassa.” Tämä tarkoittaa, että jos aloitamme lähtöaineella A ja päädymme tuotteeseen B, mainitun reaktion ΔH on riippumaton tavasta, jolla reaktio tapahtui. Tämä puolestaan ​​​​tarkoittaa, että voimme laskea reaktion ΔH yksinkertaisesti lisäämällä ΔH-arvot reaktiosarjasta, joka onnistuu muuttamaan samat lähtöaineet samoihin tuotteisiin. Jälkimmäinen on yksi yleisimmistä lämpökemian käytännöistä, ja siitä on juuri kysymys seuraavassa esimerkkiongelmassa.

Ratkaistiin ongelma reaktion entalpian muutoksen laskemisesta Hessin lain avulla

Lausunto:

Laske seuraavan reaktion entalpian muutos käyttämällä Hessin lakia,

Kun otetaan huomioon seuraavien reaktioiden entalpiat:

Ratkaisu

Entalpiavaihtelun tai -muutoksen laskemiseksi Hessin lain avulla meidän on löydettävä tapa yhdistää datana meille annetut kemialliset yhtälöt niin, että ne yhdistettynä johtavat kemiallisen reaktion yhtälöön, jonka entalpian muutoksen haluamme laskea .

Tämä sisältää kemiallisten yhtälöiden manipuloinnin useilla tavoilla, mukaan lukien niiden kääntäminen, kertominen vakioarvoilla tai jakaminen vakioarvoilla. Tärkeintä on pitää mielessä, että kaikki mitä tehdään kemialliselle yhtälölle on tehtävä myös sen ΔH-arvolle. Tuo on:

1. Termokemiallista yhtälöä käännettäessä tai käännettäessä on myös sen entalpian muutoksen merkki käännettävä.
2. Kun koko yhtälö kerrotaan vakiolla, tulee entalpian muutos myös kertoa samalla vakiolla.
3. Kun kemiallinen yhtälö jaetaan vakiolla, entalpian muutos on myös jaettava samalla vakiolla.

Katsotaanpa vaiheita, joita tarvitaan näiden periaatteiden tehokkaaseen soveltamiseen:

Vaihe 1: Etsi annetuissa reaktioissa esiintyvät lähtöaineet ja tuotteet yhtälön oikealta puolelta

Yleinen strategia, jota voidaan soveltaa useimpiin näistä ongelmista, on etsiä yksitellen tuntemattoman reaktion lähtöaineita ja tuotteita, eli sitä, jonka entalpian haluamme laskea kaikista datana annetuista reaktioista. . Seuraavaksi sinun on varmistettava, että sinua kiinnostava yhdiste on yhtälön oikealla puolella; muuten yhtälö on käänteinen.

Esimerkiksi esillä olevassa ongelmassa olemme kiinnostuneita alkuainealumiinin ja rautaoksidin esiintymisestä sellaisten reaktioiden lähtöaineiden joukossa, joiden entalpiat tunnetaan. Kuten voidaan nähdä, tämä tarkoittaa molempien yhtälöiden kääntämistä sekä niiden entalpiamuutosten merkin kääntämistä:

Vaihe 2: Kerro tai jaa stoikiometriset kertoimet tarvittaessa

On ymmärrettävä, että haluat annettujen kemiallisten yhtälöiden summan antavan tuntemattoman yhtälön. Tämä tarkoittaa, että jokainen laji, joka ei esiinny viimeisessä, on peruttava ja kaikilla muilla lajeilla on oltava asianmukaiset stoikiometriset kertoimet.

Ongelmassamme voidaan nähdä, että datana annetuissa reaktioissa on mukana molekyylihappi, jota etsimässämme reaktiossa ei ole, joten on varmistettava, että se kumoutuu yhtälöitä lisättäessä. Jotta tämä tapahtuisi ja lisäksi raudan ja rautaoksidin kertoimet olisivat oikein, toinen yhtälö on jaettava kahdella, samoin kuin sen entalpia. Tarkoittaen:

Mikä johtaa:

Vaihe 3: Lisää yhtälöt

Kun kaikki reagoivat aineet ja tuotteet ovat oikealla puolella ja oikeilla kertoimilla, yhtälöt ja niitä vastaavat entalpiat voidaan lisätä, jotta saadaan etsimämme entalpia:

Vastaus:

Alumiinin ja rautaoksidin välisellä reaktiolla raudan ja alumiinioksidin saamiseksi on standardi entalpian muutos -845,6 kJ/mol.

Viitteet

• Atkins, P. ja dePaula, J. (2008). Physical Chemistry (8. ^painos ). Panamerican Medical Editorial.
• Britannica, Encyclopaedian toimittajat. (2020, 9. huhtikuuta). Entalpia | Määritelmä, yhtälö ja yksiköt . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/enthalpy
• Chang, R. ja Goldsby, K. (2013). Kemia (11. ^painos ). McGraw-Hill Interamericana de España SL
• Käsitteen määritelmän laatiminen. (2020, 16. joulukuuta). Hessin laki . Käsite – määritelmä. https://conceptodefinicion.de/ley-de-hess/
• Suárez, T., Fontal, B., Reyes, M., Bellandi, F., Contreras, R., & Romero, I. (2005). Termokemian periaatteet . VII Venezuelan kemian opetuksen koulu. http://www.saber.ula.ve/bitstream/handle/123456789/16744/termoquimica.pdf?sequence=1&isAllowed=y