Як розрахувати зміни ентальпії

Зміст

• TL; DR (Занадто довго; Не читав)
• Визначення Ентальпії
• Простий розрахунок змін ентальпії
• Ентальпія фазових переходів
• Закон Гесса

Зміна ентальпії реакції - це кількість тепла, яке поглинається або виділяється в процесі реакції, якщо це відбувається при постійному тиску. Ви завершуєте розрахунок різними способами, залежно від конкретної ситуації та наявної інформації. Для багатьох розрахунків закон Гесса є ключовою інформацією, яку потрібно використовувати, але якщо ви знаєте ентальпію продуктів та реагентів, розрахунок набагато простіший.

TL; DR (Занадто довго; Не читав)

Ви можете обчислити зміни в ентальпії, використовуючи просту формулу: ∆H = H_{продуктів} - Н_{реактиви}

Визначення Ентальпії

Точне визначення ентальпії (H) - це сума внутрішньої енергії (U) плюс добуток тиску (P) та об'єму (V). У символах це:

H = U + PV

Отже, зміна ентальпії (∆H):

∆H = ∆U + ∆P∆V

Там, де символ дельти (means) означає "зміна". На практиці тиск утримується постійним і вищенаведене рівняння краще відображається як:

∆H = ∆U + P∆V

Однак для постійного тиску зміна ентальпії просто передається теплом (q):

∆H = q

Якщо (q) позитивна, реакція є ендотермічною (тобто поглинає тепло з оточення), а якщо вона негативна - реакція екзотермічна (тобто виділяє тепло в її оточення). Ентальпія має одиниці кДж / моль або Дж / моль, або взагалі енергію / масу. Наведені рівняння дійсно пов'язані з фізикою теплового потоку та енергією: термодинаміка.

Простий розрахунок змін ентальпії

Найбільш базовим способом обчислення зміни ентальпії є ентальпія продуктів та реагентів. Якщо ви знаєте ці кількості, використовуйте наступну формулу, щоб розробити загальну зміну:

∆H = H_{продуктів} - Н_{реактиви}

Додавання іона натрію до хлоридного іона для утворення хлориду натрію є прикладом реакції, яку можна обчислити таким чином. Іонний натрій має ентальпію –239,7 кДж / моль, а хлорид-іон має ентальпію −167,4 кДж / моль. Хлорид натрію (кухонна сіль) має ентальпію −411 кДж / моль. Вставка цих значень дає:

∆Н = −411 кДж / моль - (−239,7 кДж / моль −167,4 кДж / моль)

= −411 кДж / моль - (−407,1 кДж / моль)

= −411 кДж / моль + 407,1 кДж / моль = 3,9 кДж / моль

Так утворення солі вивільняє майже 4 кДж енергії на моль.

Ентальпія фазових переходів

Коли речовина змінюється з твердої на рідку, рідку на газову або тверду на газову, в цих змінах беруть участь специфічні ентальпії. Ентальпія (або прихована теплота) плавлення описує перехід від твердого до рідкого (зворотний мінус це значення і називається ентальпією плавлення), ентальпія випаровування описує перехід від рідини до газу (і навпаки - конденсація) і ентальпія сублімації описує перехід від твердого до газового (зворотний знову називається ентальпією конденсації).

Для води ентальпія плавлення становить ∆H_{плавлення} = 6,007 кДж / моль. Уявіть, що ви нагріваєте лід від 250 кельвінів, поки він не розтане, а потім нагрієте воду до 300 К. Зміна ентальпії для нагрівальних деталей - це лише необхідне тепло, тому ви можете знайти її за допомогою:

∆H = nC∆T

Де (n) - кількість молей, (∆T) - зміна температур і (C) - питома теплота. Питома теплота льоду - 38,1 Дж / К моль, питома теплота води - 75,4 Дж / К моль. Тож обчислення відбувається в декількох частинах. По-перше, лід повинен бути нагрітий від 250 K до 273 K (тобто, від -23 ° C до 0 ° C). Для 5 молей льоду це:

∆H = nC∆T

= 5 моль × 38,1 Дж / К моль × 23 К

= 4.382 кДж

Тепер помножте ентальпію плавлення на кількість молей:

∆H = n ∆H_{плавлення}

= 5 моль × 6,007 кДж / моль

= 30,035 кДж

Розрахунки на випаровування однакові, за винятком ентальпії випаровування замість плавкої. Нарешті, обчисліть кінцеву фазу нагрівання (від 273 до 300 К) так само, як і першу:

∆H = nC∆T

= 5 моль × 75,4 Дж / К моль × 27 К

= 10,179 кДж

Підсумуйте ці частини, щоб знайти загальну зміну ентальпії реакції:

∆H_всього = 10.179 кДж + 30.035 кДж + 4.382 кДж

= 44,596 кДж

Закон Гесса

Закон Гесса є корисним, коли реакція, яку ви розглядаєте, має дві або більше частин, і ви хочете знайти загальну зміну ентальпії. У ньому йдеться про те, що зміна ентальпії реакції чи процесу не залежить від маршруту, через який воно відбувається. Це означає, що якщо реакція перетворюється на речовину в іншу, не має значення, чи відбувається реакція за один крок (реагенти стають продуктами негайно) або чи проходить вона через багато етапів (реагенти стають посередниками, а потім стають продуктами), що виникає ентальпія змінюється в обох випадках однаково.

Зазвичай допомагає скласти схему (див. Ресурси), яка допоможе вам використовувати цей закон. Один із прикладів - якщо ви починаєте з шести молей вуглецю в поєднанні з трьома водню, вони згоряють, щоб поєднатись з киснем як проміжним етапом, а потім утворюють бензол як кінцевий продукт.

Закон Гесса говорить, що зміна ентальпії реакції є сумою змін ентальпії обох частин. У цьому випадку згоряння одного моля вуглецю має ∆H = −394 кДж / моль (це відбувається в шість разів в реакції), зміна ентальпії при спалюванні одного моля водню газу становить ∆H = −286 кДж / моль (це трапляється втричі), а вуглекислий газ та водні посередники стають бензолом зі зміною ентальпії ∆H = +3,267 кДж / моль.

Візьміть суму цих змін, щоб знайти загальну зміну ентальпії, пам’ятаючи помножити кожну на кількість молей, необхідних на першій стадії реакції:

∆H_всього = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267

= 3,267 − 2,364 - 858

= 45 кДж / моль