Voorbeeldvrae oor Entalpie en Entalpieveranderinge
Entalpie is 'n sleutelkonsep in chemiese termodinamika, wat gereeld in verskeie chemiese onderwerpe voorkom, van chemiese reaksies tot faseveranderinge. In hierdie artikel sal ons verskeie voorbeeldprobleme hersien en entalpie en entalpieveranderinge bespreek om ons te help om die konsep beter te verstaan.
Verstaan Entalpie
Entalpie (H) is die totale hoeveelheid energie in 'n termodinamiese stelsel. Dit sluit nie net die interne energie in wat in deeltjies gestoor word nie, maar ook die energie wat benodig word om ruimte vir die deeltjies in 'n gegewe drukomgewing te skep. Entalpie word in joule (J) in die Internasionale Stelsel (SI) gemeet.
Wiskundig word entalpie gedefinieer as:
\[ H = U + PV \]
Waar:
– \(H \) is die entalpie
– \(U \) is die interne energie
– \(P \) is druk
– \(V \) is die volume
Entalpieverandering
Entalpieverandering (ΔH) vind plaas wanneer 'n chemiese reaksie of fisiese proses plaasvind. Hierdie entalpieverandering kan gedefinieer word as die hoeveelheid hitte wat deur 'n stelsel teen konstante druk vrygestel of geabsorbeer word. Wiskundig:
[ΔH = H_{\text{produk}} – H_{\text{reaktant}}]
Eksotermiese reaksies is reaksies wat hitte in die omgewing vrystel, en in hierdie reaksies is ΔH negatief. Intussen is 'n endotermiese reaksie 'n reaksie wat hitte uit die omgewing absorbeer, en in hierdie reaksie het ΔH 'n positiewe waarde.
Voorbeeldvrae en bespreking
Voorbeeldvraag 1: Verandering in Entalpie van Verbranding
Vraag:
Dit is bekend dat die volledige verbranding van 1 mol metaan (\(CH_4\)) koolstofdioksied (\(CO_2\)) en water (\(H_2O\)) produseer. Die entalpie van vormingsdata is soos volg:
– (ΔH₂O (l) = -285.8 kJ/mol)
– (ΔH₂f, CO₂(g) = -393.5 kJ/mol)
– (ΔH₂f, CH₄(g) = -74.8 kJ/mol)
Bereken die entalpieverandering (ΔH) van die verbrandingsreaksie.
Bespreking:
Die verbrandingsreaksie van metaan is:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \regspyl CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Die entalpieverandering van die reaksie (ΔH) kan bereken word deur die entalpie van vorming te gebruik:
\[ \DeltaH = \Sigma \DeltaH_f \tex{produkte} – \Sigma \DeltaH_f \tex{reaktante} \]
Produk:
[ΔHf(CO₂(g)) = -393.5 kJ/mol]
[ΔHf(H₂O(l)) = -285.8 kJ/mol]
Totale entalpie van produkte:
[(-393.5 kJ/mol) + 2 keer (-285.8 kJ/mol) = -393.5 – 571.6 = -965.1 kJ/mol]
Reaktante:
[ΔH_f(CH_4(g)) = -74.8 kJ/mol]
[ΔHf(O₂(g)) = 0 kJ/mol]
(Suurstof in sy standaardtoestand het 'n entalpie van vorming van nul.)
Totale entalpie van reaktante:
[(-74.8 kJ/mol) + 2 keer (0 kJ/mol) = -74.8 kJ/mol]
So, die verandering in entalpie (ΔH) is:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
[ΔH = -890.3 kJ/mol]
Dus, die entalpieverandering vir die verbranding van 1 mol metaan is \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Voorbeeldvraag 2: Entalpieveranderinge in Fisiese Prosesse
Vraag:
Bereken die entalpieverandering wanneer 50 gram ys (\(H_2O_{(s)}\)) by 0°C in water (\(H_2O_{(l)}\)) by 0°C gesmelt word. Dit is bekend dat die smeltwarmte van ys (\( ΔH_{\text{fus}} \)) 6.01 kJ/mol is en die molêre massa van water 18 g/mol is.
Bespreking:
Die eerste stap is om die aantal mol ys te bereken.
\[ \tex{Mol ys} = \frac{50 \tex{g}}{18 \tex{g/mol}} \ongeveer 2.78 \tex{mol} \]
Volgende bereken ons die entalpieverandering vir die smelt van die ys:
\[ \DeltaH = n \cdot \DeltaH_{\text{fus}} \]
[ΔH = 2.78 mol ⋅ 6.01 kJ/mol]
\[ ΔH \ongefeer 16.7 \tex{kJ} \]
Dus, die entalpieverandering wanneer 50 gram ys by 0°C gesmelt word, is ongeveer 16.7 kJ. Dit is 'n endotermiese proses omdat die ys hitte absorbeer om in water te verander.
Voorbeeld 3: Hess-reaksie
Vraag:
Gebruik Hess se wet om die entalpieverandering vir die volgende reaksie te bepaal:
\[ 2 C(grafiet) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Verskeie reaksies is bekend met hul onderskeie entalpieveranderinge:
1. \( C(grafiet) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \ΔH = -393.5 \tex{kJ \)
2. (H₂(g) + 1/2O₂(g) = H₂O(l), ΔH = -285.8 kJ)
3. (2 C₂H₆(g) + 7 O₂(g) = 4 CO₂(g) + 6 H₂O(l), ΔH = -3119.6 kJ)
Bespreking:
Om die entalpieverandering (ΔH) van die reaksie te bereken, moet ons sommige van die reaksies omkeer en vermenigvuldig om by die teikenreaksie te pas.
Langkah-langkah:
1. Verander die reaksie \(C_2H_6 \rightarrow 2CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Omkeer- en deelreaksies:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reaksie \(C \rightarrow CO_2\):
[4C(grafiet) + 4O_2(g) = 4CO_2(g), ΔH = 4 x -393.5 = -1574 kJ]
3. Reaksie \(H_2\regter pyl H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
As ons dit alles saamvoeg, kry ons:
\[2C(grafiet) + 3H_2(g) \regspyl C_2H_6\]
[ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ]
Dus, die entalpieverandering van die reaksie van 2 mol grafiet en 3 mol \(H_2\) tot \(C_2H_6(g)\) is -1729 kJ.
Dus, 'n begrip van die konsep van entalpie en die toepassing daarvan op verskillende tipes reaksies bied insig in hoe energie betrokke is by chemiese en fisiese veranderinge. Die bogenoemde probleme is 'n paar voorbeelde wat gereeld in die kurrikulum gebruik word om die begrip van hierdie konsepte te versterk.
