Tabla de Contenidos
Ciepło tworzenia, zwane także entalpią tworzenia lub standardową entalpią tworzenia, to ilość ciepła związana z procesem tworzenia 1 mola substancji chemicznej z jej pierwiastków składowych, gdy znajdują się one w stanie normalnym, tj. najbardziej stabilną naturalną formę w temperaturze 25°C. W tym sensie ciepło tworzenia reprezentuje różnicę entalpii między produktami i reagentami reakcji chemicznej przeprowadzanej w temperaturze 25 °C, w której jedynym produktem jest 1 mol substancji będącej przedmiotem zainteresowania, podczas gdy reagentem lub reagentami są pierwiastki, które tworzą wspomnianą substancję w jej najbardziej stabilnym naturalnym stanie we wspomnianej temperaturze.
Entalpia tworzenia jest reprezentowana przez symbol Δ f H° X , gdzie f wskazuje, że jest to entalpia tworzenia substancji X (X odpowiada wzorowi chemicznemu lub nazwie tworzonej substancji), a symbol ° to używany do reprezentowania standardowych warunków reakcji, w tym przypadku T = 25 ° C lub 298,15 K.
Na przykład ciepło tworzenia wody jest reprezentowane jako Δ f H° H2O i odpowiada różnicy entalpii następującej reakcji przeprowadzonej w temperaturze 25 °C:
Uwaga dotycząca dobrych praktyk: W przeszłości powszechne było umieszczanie f formacji jako indeksu dolnego H, gdy przedstawiano entalpię lub ciepło formowania (tj. ΔH f ° X ). Jednak koncepcyjnie jest to błąd, ponieważ entalpia (H) jest właściwością substancji, a nie procesu powstawania substancji, więc nie powinna nosić litery f. Z kolei symbol Δ (delta) reprezentujący różnicę między stanem końcowym a początkowym związany jest z procesem formowania, dlatego obecnie f umieszcza się go w indeksie dolnym.
reakcje formacyjne
Powyższe jest przykładem reakcji tworzenia (reakcji tworzenia wody). Ważnymi szczegółami, które należy wziąć pod uwagę, aby rozpoznać reakcję formacji, są:
- Produkt powinien być tylko jeden (w tym przypadku H 2 O).
- Współczynnik stechiometryczny produktu musi wynosić 1.
- Wszystkie reagenty muszą być substancjami elementarnymi (w tym przypadku wodorem i tlenem), a nie związkami.
- Alotrop każdego obecnego reagenta musi odpowiadać najbardziej stabilnemu alotropowi w standardowych warunkach (w przypadku pierwiastka wodoru jest to gazowy wodór cząsteczkowy, aw przypadku tlenu jest to gazowy tlen cząsteczkowy).
Przedmioty w stanie standardowym
Niektóre przykłady pierwiastków w ich najbardziej stabilnych stanach naturalnych w standardowych warunkach to:
| Element | Najbardziej stabilna forma w standardowych warunkach | Element | Najbardziej stabilna forma w standardowych warunkach |
| Wodór | H2 (g) | Tlen | LUB 2(g) |
| Azot | nr 2(g) | Fluor | F2 (g) |
| Chlor | Cl 2(g) | Brom | Br 2(l) |
| Jod | ja 2(y) | Rtęć | Hg (l) |
| Węgiel | C (tak, graffiti) | Siarka | S (s, rombowy) |
| Srebro | Ag (s) | Żelazo | Wiara (e) |
Co to jest entalpia?
Entalpia to funkcja stanu charakteryzująca układ, taki jak związek chemiczny, sprężony gaz wewnątrz tłoka, a nawet planeta krążąca wokół gwiazdy. Właściwość ta jest reprezentowana przez symbol H (który pochodzi od słowa heat w języku angielskim, heat ) i z termodynamicznego punktu widzenia jest definiowana jako suma energii wewnętrznej układu (U) i iloczynu jego ciśnienia i jego wielkość (produkt PV). To jest do powiedzenia:
Z wyjątkiem bardzo prostych układów, takich jak gazy doskonałe, entalpii bezwzględnej (H) nie można zmierzyć eksperymentalnie ani łatwo obliczyć. Dzieje się tak dlatego, że w przypadku stosunkowo złożonych układów wyznaczenie energii wewnętrznej (U) jest niezwykle skomplikowane, ponieważ należy wziąć pod uwagę zbyt wiele zmiennych, które pochodzą z interakcji między cząstkami tworzącymi układ.
Jednak, jak zobaczymy w następnym rozdziale, zmienność entalpii podczas różnych procesów można zmierzyć eksperymentalnie, co pozwala na ustalenie względnych wartości entalpii, w których entalpie tworzenia odgrywają zasadniczą rolę.
Czy to ciepło reakcji czy entalpia reakcji?
Ze względu na termodynamiczną definicję entalpii (H=U+PV) można wykazać matematycznie, że zmiana entalpii (ΔH) procesu prowadzonego pod stałym ciśnieniem jest równa ilości ciepła oddanego lub pochłoniętego przez układ podczas tego procesu. proces. Czyli ogólnie:
gdzie Q P oznacza ciepło przy stałym ciśnieniu. Oznacza to, że chociaż nie możemy zmierzyć H, możemy zmierzyć ΔH, ponieważ można zmierzyć ciepło. Coś podobnego dzieje się z potencjałem elektrycznym lub napięciem V, którego nie możemy zmierzyć bezpośrednio woltomierzem, ale możemy zmierzyć różnicę w napięciu ΔV. Otwiera to możliwość ustalenia względnej skali entalpii, pod warunkiem znalezienia lub zdefiniowania układu odniesienia, któremu przypiszemy wartość zero.
W przypadku napięcia zero jest zwykle napięciem uziemienia. W przypadku entalpii zero składa się z czystych pierwiastków w ich stanie standardowym lub najbardziej stabilnym naturalnym alotropie w temperaturze 25°C.
Pro Tip: Prawidłowym sposobem odniesienia się do entalpii procesu jako reakcji tworzenia powinna być „zmiana entalpii”, ponieważ jest to ΔH. Pozwoliłoby to odróżnić ją od entalpii absolutnej lub H. Ponieważ jednak reakcja formowania jest oczywiście procesem zmiany ze stanu początkowego do końcowego, słowo „wariacja” jest oczywiste. Tak więc, ilekroć mówi się o entalpii procesu, mówi się o wartości ΔH, podczas gdy gdy mówi się o entalpii układu jako czystej substancji w określonym stanie, odnosi się się do entalpii absolutnej (H ) .
Jednostki ciepła tworzenia
Ponieważ entalpia jest sumą energii i iloczynu PV, a ponadto różnica entalpii reprezentuje również ciepło przy stałym ciśnieniu, jednostkami ciepła tworzenia są jednostki energii na mol ([energia]/mol lub [energia].mol -1 ). W większości przypadków jednostkami są kJ.mol -1 , ale w niektórych przypadkach stosuje się również kcal.mol -1 .
Jak mierzy się ciepło tworzenia?
Ciepła tworzenia substancji chemicznej zwykle nie mierzy się bezpośrednio, ponieważ w zdecydowanej większości przypadków nie jest możliwe przeprowadzenie reakcji tworzenia. W laboratorium można przeprowadzić tylko kilka reakcji formowania, takich jak tworzenie wody przez spalanie gazowego wodoru lub tworzenie dwutlenku węgla przez spalanie grafitu węglowego.
Jednak nie jest możliwe bezpośrednie wyprodukowanie związku chemicznego, takiego jak benzen, z węgla grafitowego i wodoru. Rozwiązanie tego problemu można znaleźć w prawie Hessa . Zamiast tego mierzy się ciepło reakcji, w której bierze udział substancja, i dotyczy to również substancji, których entalpie tworzenia znamy. Bardzo częstym przykładem są reakcje spalania, ponieważ entalpia tworzenia tlenu jest z definicji zerowa, a entalpię wody i dwutlenku węgla można zmierzyć bezpośrednio, jak już wyjaśniliśmy.
Przykład:
Załóżmy, że chcemy wyznaczyć ciepło tworzenia benzenu (C 6 H 6 ). W tym przypadku przeprowadzilibyśmy spalanie benzenu, którego równanie chemiczne przedstawiono poniżej i zmierzylibyśmy entalpię reakcji:
Następnie, korzystając z prawa Hessa i ciepła tworzenia CO 2 i H 2 O, okazuje się, że ciepło tworzenia benzenu wynosi:
Ale jak mierzy się entalpię reakcji, takich jak spalanie? Odbywa się to za pomocą techniki zwanej kalorymetrią.
kalorymetria
Entalpie reakcji mierzy się metodą kalorymetryczną. Technika ta polega na przeprowadzeniu reakcji chemicznej wewnątrz kalorymetru o znanej całkowitej pojemności cieplnej (C Cal ), a następnie zmierzeniu zmiany temperatury kalorymetru w wyniku ciepła uwolnionego lub pochłoniętego w wyniku reakcji (ΔT = T f – T ja ). Ta zmiana temperatury służy do obliczenia ilości ciepła uwolnionego lub pochłoniętego przez kalorymetr (co jest ujemną wartością ciepła pochłoniętego lub uwolnionego w wyniku reakcji) za pomocą następującego równania:
Istnieją dwa główne typy kalorymetrów, te, które działają przy stałym ciśnieniu i te, które działają przy stałej objętości. W przypadku kalorymetrii stałociśnieniowej ciepło obliczone według poprzedniego równania bezpośrednio mierzy entalpię reakcji (Q r = Δ r H° = – Q Cal , pamiętaj, że entalpia procesu przy stałym ciśnieniu jest równa ciepła wspomnianego procesu). Jednak ta technika nie zawsze jest łatwa do wdrożenia.
Kalorymetry o stałej objętości są bardziej powszechne i łatwiejsze w obsłudze. Poniższy rysunek przedstawia schemat typowego kalorymetru o stałej objętości, wskazując jego części.
Ciepło mierzone w kalorymetrii o stałej objętości reprezentuje zmianę energii wewnętrznej układu w wyniku reakcji, a nie entalpię. Jest to jednak związane z entalpią reakcji za pomocą następującego równania:
Gdzie Δ r n gaz reprezentuje zmianę liczby moli gazów między produktami i reagentami danej reakcji chemicznej. Z tego równania entalpię reakcji otrzymuje się następująco:
Do czego służy entalpia tworzenia lub ciepło tworzenia?
#1 Służy do wyznaczania entalpii reakcji.
Entalpia jest zgodna z prawem Hessa, które jest sposobem wyrażenia faktu, że entalpia jest funkcją stanu. Prawo to stwierdza, że „kiedy reagenty są przekształcane w produkty podczas reakcji chemicznej, zmiana entalpii jest taka sama, niezależnie od tego, czy reakcja jest przeprowadzana w jednym etapie, czy w wielu etapach. ” Innymi słowy, prawo Hessa stwierdza, że zmiana entalpii jest niezależna od drogi, jaką przebyto od reagentów do produktów.
Jedną z konsekwencji prawa Hessa jest to, że ponieważ możemy zapisać reakcje tworzenia dla dowolnego istniejącego związku i ponieważ możemy dowolnie manipulować reakcjami tworzenia, o ile zmiany są odzwierciedlone w entalpii zmodyfikowanych reakcji, możemy zapisać entalpię dowolna reakcja chemiczna pod względem entalpii tworzenia reagentów i produktów biorących udział w reakcji. Ogólnie możemy napisać, że dla ogólnej reakcji, takiej jak następująca:
entalpia reakcji (Δ r H°) jest dana wzorem
Lub bardziej ogólnie:
Gdzie ν j i ν i reprezentują odpowiednio współczynniki stechiometryczne każdego produktu i reagenta, a Δ f H j ° i Δ f H i ° reprezentują odpowiednio ciepło tworzenia każdego produktu i reagenta.
#2 Reprezentują wartość względnej entalpii substancji chemicznych w stanie normalnym.
Jak wspomnieliśmy wcześniej, czyste pierwiastki w stanie standardowym lub najbardziej stabilnym naturalnym alotropie w temperaturze 25°C stanowią punkt odniesienia dla określenia względnej skali entalpii. Dzieje się tak, ponieważ biorąc pod uwagę definicję reakcji tworzenia, entalpia tworzenia czystych pierwiastków w ich najbardziej stabilnym stanie naturalnym musi wynosić zero, ponieważ ich reakcja tworzenia miałaby ten sam reagent i ten sam produkt (byłaby to reakcja zerowa).
Ponieważ ta reakcja tworzenia w rzeczywistości nie obejmuje żadnej zmiany stanu, to entalpia tej reakcji, która jest równa entalpii końcowej minus entalpia początkowa, musi wynosić zero, ponieważ oba stany są równe.
Na przykład reakcja tworzenia gazowego tlenu w temperaturze 25°C jest przedstawiona wzorem:
Wtedy entalpia tej reakcji, która musi być równa entalpii tworzenia tlenu, byłaby dana wzorem:
To pozwala nam mierzyć entalpie reakcji, jak widzieliśmy wcześniej.
Kierując się podobnym rozumowaniem, możemy również zdefiniować bezwzględną entalpię pierwiastków w ich najbardziej stabilnym stanie naturalnym jako zero, a czyniąc to, entalpie tworzenia różnych substancji (Δ f H X °) stają się względnymi entalpiami substancji pod wpływem standardowe warunki (H X °).
Dla przykładu, dla przedstawionego powyżej przypadku formowania się wody:
Jeśli entalpie wodoru i tlenu zdefiniujemy na zero, to otrzymamy, że entalpia tworzenia wody jest równa entalpii standardowej wody w tej skali względnej:
Ta entalpia jest bardzo ważna, ponieważ poprzez obliczenie lub pomiar zmian entalpii możemy przekształcić te względne entalpie, które występują w warunkach standardowych, w entalpie względne w dowolnym innym zestawie warunków (na przykład w innych temperaturach lub innych ciśnieniach). Jest to szczególnie przydatne do badania wymiany energii reakcji chemicznych i przemian fazowych w niestandardowych warunkach, dlatego często uzyskuje się tablice entalpii dla powszechnie stosowanych substancji, takich jak woda i inne rozpuszczalniki, substancje paliwowe i inne substancje chemiczne. i ciśnienia, wszystkie obliczone na podstawie entalpii tworzenia.
Bibliografia
Atkins, P. i dePaula, J. (2010). Atkinsa. Chemia fizyczna ( wyd . 8). Panamerican Medical Editorial.
Byjus. (2021, 22 marca). Pomiar zmiany entalpii . https://byjus.com/chemistry/measurement-of-enthalpy-and-internal-energy-change/
Chang, R. (2012). Chemia ( wyd . 11 ). Edukacja McGraw-Hill.
Redaktorzy Encyklopedii Britannica. (2020, 9 kwietnia). Entalpia | Definicja, równanie i jednostki . Encyklopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/enthalpy
Planas, O. (2019, 25 września). Co to jest entalpia? Energia słoneczna. https://solar-energia.net/termodinamica/propiedades-termodinamicas/entalpia
Narodowy Uniwersytet Technologiczny. (nd). WYKRESY SKŁADU ENTALPII . https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/diagramas_de_entalpia_composicion.pdf
