Tabla de Contenidos
Bildningsvärmen, även kallad bildningsentalpi eller standard bildningsentalpi, är den mängd värme som är associerad med processen att bilda 1 mol av ett kemiskt ämne från dess beståndsdelar när de är i sitt standardtillstånd, dvs. dess mest stabila naturliga form vid 25 °C. I denna mening representerar bildningsvärmen entalpiskillnaden mellan produkterna och reaktanterna av en kemisk reaktion utförd vid 25 °C där den enda produkten är 1 mol av ämnet av intresse, medan reaktanten eller reaktanterna är de element som utgöra nämnda substans i dess mest stabila naturliga tillstånd vid nämnda temperatur.
Bildningsentalpin representeras av symbolen Δ f H° X , där f anger att det är en bildningsentalpi av ämne X (X motsvarar den kemiska formeln eller namnet på ämnet som bildas) och symbolen ° är används för att representera standardreaktionsförhållanden, i detta fall T = 25 °C eller 298,15 K.
Till exempel representeras värmen för bildning av vatten som Δ f H° H2O och motsvarar entalpiskillnaden för följande reaktion utförd vid 25 °C:
Anmärkning om god praxis: Tidigare var det vanligt att placera f för formation som en subskript av H när det representerade entalpi eller bildningsvärme (dvs. ΔH f ° X ) . Men begreppsmässigt är detta ett misstag, eftersom entalpi (H) är en egenskap hos ämnet, inte för processen för bildning av ämnet, så det bör inte bära bokstaven f. Å andra sidan är symbolen Δ (delta) som representerar en skillnad mellan slut- och initialtillståndet relaterad till bildningsprocessen, vilket är anledningen till att f för närvarande placeras som en subskript till den.
bildningsreaktioner
Ovanstående är ett exempel på en bildningsreaktion (bildningsreaktionen av vatten). De viktiga detaljerna att ta hänsyn till för att känna igen en formationsreaktion är:
- Det ska bara finnas en produkt (i detta fall H 2 O).
- Den stökiometriska koefficienten för produkten måste vara 1.
- Reaktanterna måste alla vara elementära ämnen (i detta fall väte och syre), inte föreningar.
- Allotropen för varje närvarande reaktant måste motsvara den mest stabila allotropen under standardförhållanden (i fallet med grundämnet väte är det molekylär vätgas och i fallet med syre är det molekylär syrgas).
Artiklar i standardtillstånd
Några exempel på element i sina respektive mest stabila naturliga tillstånd under standardförhållanden är:
| Element | Mest stabil form under standardförhållanden | Element | Mest stabil form under standardförhållanden |
| Väte | H2 (g) | Syre | ELLER 2(g) |
| Kväve | Nr 2(g) | Fluor | F2 (g) |
| Klor | Cl2 (g) | Brom | Br 2(l) |
| Jod | I 2(s) | Merkurius | Hg (l) |
| Kol | C (ja, graffiti) | Svavel | S (s, rombisk) |
| Silver | Ag (s) | Järn | Tro (s) |
Vad är entalpi?
Entalpi är en tillståndsfunktion som kännetecknar ett system som en kemisk förening, en trycksatt gas inuti en kolv eller till och med en planet som kretsar runt en stjärna. Denna egenskap representeras av symbolen H (som kommer från ordet värme på engelska, heat ) och definieras ur termodynamisk synvinkel som summan av den inre energin i ett system (U) och produkten av dess tryck och dess volym (produkt PV). Det vill säga:
Förutom mycket enkla system som idealgaser kan absolut entalpi (H) inte mätas experimentellt eller enkelt beräknas. Detta beror på att för relativt komplexa system är bestämningen av den inre energin (U) oerhört komplex att bestämma, eftersom alltför många variabler som kommer från interaktionerna mellan partiklarna som utgör systemet måste beaktas.
Men som kommer att ses i nästa avsnitt kan entalpivariationen under olika processer mätas experimentellt, vilket gör det möjligt att fastställa relativa entalpivärden, där formationsentalpier spelar en väsentlig roll.
Är det reaktionsvärme eller reaktionsentalpi?
På grund av den termodynamiska definitionen av entalpi (H=U+PV) kan det visas matematiskt att entalpiförändringen (ΔH) för en process som utförs vid konstant tryck är lika med den värme som frigörs eller absorberas av systemet under nämnda process. bearbeta. Det vill säga i allmänhet:
där Q P representerar värme vid konstant tryck. Det betyder att även om vi inte kan mäta H, kan vi mäta ΔH, eftersom värme kan mätas. Något liknande händer med den elektriska potentialen eller spänningen, V, som vi inte kan mäta direkt med en voltmeter, men vi kan mäta skillnaden i spänning, ΔV. Detta öppnar möjligheten att etablera en relativ entalpiskala, förutsatt att vi hittar eller definierar ett referenssystem till vilket vi associerar värdet noll.
När det gäller spänning är noll vanligtvis jordspänningen. I fallet med entalpi består noll av de rena elementen i deras standardtillstånd eller mest stabila naturliga allotrop vid 25°C.
Proffstips: Det korrekta sättet att hänvisa till en process entalpi som en formationsreaktion bör vara ”entalpiförändring” eftersom det är en ΔH. Detta skulle göra det möjligt att skilja den från absolut entalpi eller H. Men eftersom bildningsreaktionen uppenbarligen är en förändringsprocess från ett initialt tillstånd till ett slutligt, är ordet ”variation” självklart. Så när man talar om entalpi för en process, talar man om ett värde på ΔH, medan, när man talar om entalpi för ett system som en ren substans i ett visst tillstånd, hänvisar man till en absolut entalpi (H ) .
Enheter för bildningsvärme
Eftersom entalpi är summan av energi och PV-produkten, och dessutom entalpiskillnaden representerar värme vid konstant tryck, är enheterna för bildningsvärme enheter energi per mol ([Energy]/mol eller [Energy ].mol -1 ). I de flesta fall är enheterna kJ.mol -1 , men i vissa fall används även kcal.mol -1 .
Hur mäts bildningsvärmen?
Ett kemiskt ämnes bildningsvärme mäts vanligtvis inte direkt eftersom det i de allra flesta fall inte är möjligt att genomföra bildningsreaktionen. Endast en handfull bildningsreaktioner kan utföras i laboratoriet, såsom bildning av vatten genom förbränning av vätgas eller bildning av koldioxid genom förbränning av kolgrafit.
Det är dock inte möjligt att producera en kemisk förening som bensen från grafitkol och väte direkt. Lösningen på detta problem finns i Hess’ lag . Det som görs istället är att värmen från en reaktion där ämnet är inblandat mäts och det handlar även om ämnen vars bildningsentalpier vi känner till. Ett mycket vanligt exempel är att använda förbränningsreaktioner, eftersom entalpin för syrebildning per definition är noll, och de för vatten och koldioxid kan mätas direkt, som vi just har förklarat.
Exempel:
Antag att vi vill bestämma bildningsvärmet för bensen (C 6 H 6 ). I det här fallet skulle vi utföra förbränning av bensen vars kemiska ekvation presenteras nedan, och vi skulle mäta entalpin för reaktionen:
Sedan, med hjälp av Hess’ lag, och bildningsvärmen för CO 2 och H 2 O, visar sig bildningsvärmen för bensen vara:
Men hur mäts entalpin för reaktioner som förbränning? Det görs med hjälp av en teknik som kallas kalorimetri.
kalorimetri
Reaktionsentalpier mäts med kalorimetri. Denna teknik består av att utföra en kemisk reaktion inuti en kalorimeter med känd total värmekapacitet (C Cal ), för att sedan mäta förändringen i temperaturen på kalorimetern på grund av den värme som frigörs eller absorberas av reaktionen (ΔT = T f – T i ). Denna temperaturförändring används för att beräkna mängden värme som frigörs eller absorberas av kalorimetern (vilket är det negativa av värmen som absorberas eller frigörs av reaktionen) med hjälp av följande ekvation:
Det finns två huvudtyper av kalorimetrar, de som arbetar vid konstant tryck och de som arbetar med konstant volym. I fallet med konstanttryckkalorimetri mäter värmen beräknad enligt föregående ekvation direkt reaktionsentalpin (Q r = Δ r H° = – Q Cal , kom ihåg att entalpin för en process vid konstant tryck är lika med värmen av nämnda process). Denna teknik är dock inte alltid lätt att implementera.
Kalorimetrar med konstant volym är vanligare och lättare att använda. Följande figur visar ett schema över en typisk konstant volymkalorimeter som anger dess delar.
Värmen mätt i konstant volymkalorimetri representerar förändringen i systemets inre energi på grund av reaktionen, inte entalpin. Detta är dock relaterat till reaktionens entalpi genom följande ekvation:
Där Δ r n gas representerar variationen i antalet mol gaser mellan produkterna och reaktanterna från den involverade kemiska reaktionen. Från denna ekvation erhålls reaktionsentalpin enligt följande:
Vad används bildningsentalpi eller bildningsvärme till?
#1 Den används för att bestämma reaktionsentalpier.
Entalpi lyder Hess lag, som är ett sätt att uttrycka det faktum att entalpi är en tillståndsfunktion. Denna lag säger att ”när reaktanter omvandlas till produkter under en kemisk reaktion, är entalpiförändringen densamma oavsett om reaktionen utförs i ett enda steg eller i flera steg. ” Med andra ord säger Hess lag att entalpiförändringen är oberoende av vägen från reaktanterna till produkterna.
En konsekvens av Hess lag är att eftersom vi kan skriva bildningsreaktioner för vilken förening som helst som existerar, och eftersom vi kan manipulera bildningsreaktioner efter behag, så länge som förändringarna återspeglas i entalpin för de modifierade reaktionerna, kan vi skriva entalpin för någon kemisk reaktion i termer av entalpier för bildning av reaktanter och produkter som är involverade i reaktionen. I allmänhet kan vi skriva det, för en generisk reaktion som följande:
reaktionsentalpin (Δ r H°) ges av
Eller mer allmänt:
Där νj och νi representerar de stökiometriska koefficienterna för varje produkt respektive reaktant, och ΔfHj° och ΔfHi ° representerar bildningsvärmen för varje produkt respektive reaktant .
#2 De representerar värdet av den relativa entalpin för kemiska ämnen i deras standardtillstånd.
Som vi nämnde tidigare representerar de rena elementen i deras standardtillstånd eller mest stabila naturliga allotrop vid 25 ° C referenspunkten för bestämning av den relativa entalpiskalan. Detta beror på att, givet definitionen av bildningsreaktioner, entalpin för bildning av rena element i deras mest stabila naturliga tillstånd måste vara noll, eftersom deras bildningsreaktion skulle ha samma reaktant och samma produkt (det skulle vara en nollreaktion).
Eftersom denna bildningsreaktion faktiskt inte involverar någon tillståndsändring, måste entalpin för denna reaktion, som är lika med den slutliga entalpin minus den initiala entalpin, vara noll, eftersom båda tillstånden är lika.
Till exempel, reaktionen för bildandet av syrgas vid 25°C ges av:
Sedan skulle entalpin för denna reaktion, som måste vara lika med entalpin för syrebildning, ges av:
Detta gör att vi kan mäta reaktionens entalpier som vi såg tidigare.
Efter ett liknande resonemang kan vi också definiera grundämnenas absoluta entalpi i deras mest stabila naturliga tillstånd som noll, och därigenom blir bildningsentalpierna för de olika ämnena (Δ f H X °) relativa entalpier för ämnena under standardbetingelser (H X °).
Till exempel, för fallet med bildandet av vatten som presenteras ovan:
Om vi definierar entalpierna för väte och syre till noll, får vi att entalpin för bildning av vatten är lika med standardentalpin för vatten på denna relativa skala:
Denna entalpi är mycket viktig eftersom vi genom beräkning eller mätning av entalpivariationer kan omvandla dessa relativa entalpier som är i standardförhållanden till relativa entalpier i vilken annan uppsättning förhållanden som helst (vid andra temperaturer eller andra tryck, till exempel). Detta är särskilt användbart för att studera energiutbytena av kemiska reaktioner och fasförändringar under icke-standardiserade förhållanden, så det är vanligt att erhålla entalpitabeller för vanliga ämnen som vatten och andra lösningsmedel, bränsleämnen och andra kemiska ämnen vid olika temperaturer. och tryck, alla beräknade från formationens entalpier.
Referenser
Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Physical Chemistry (8: e upplagan ). Panamerican Medical Editorial.
Byjus. (2021, 22 mars). Mätning av entalpiförändring . https://byjus.com/chemistry/measurement-of-enthalpy-and-internal-energy-change/
Chang, R. (2012). Chemistry (11: e upplagan ). McGraw-Hill Education.
Redaktörer för Encyclopaedia Britannica. (2020, 9 april). Entalpi | Definition, ekvation och enheter . Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/enthalpy
Planas, O. (2019, 25 september). Vad är entalpi? Solenergi. https://solar-energia.net/termodinamica/propiedades-termodinamicas/entalpia
Tekniska Högskolan. (nd). ENTALPIKOMPOSITIONSDIAGRAM . https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/3_anio/integracion3/diagramas_de_entalpia_composicion.pdf
