Прыклады пытанняў па абмеркаванні закона Геса
Пендахулуан
Закон Геса, названы ў гонар рускага хіміка Жэрмена Анры Геса, з'яўляецца адным з фундаментальных прынцыпаў хімічнай тэрмадынамікі, якія тычацца энергіі хімічных рэакцый. Гэты закон сцвярджае, што агульная колькасць цяпла (энергіі), якая выпрацоўваецца або паглынаецца ў хімічнай рэакцыі, залежыць не ад абранага шляху, а толькі ад пачатковых і канчатковых умоў сістэмы. Гэты асноўны прынцып вельмі карысны пры разліку змены энтальпіі (ΔH) рэакцый, якія цяжка вымераць непасрэдна.
Закон Геса мае вырашальнае значэнне, бо ён дазваляе нам выкарыстоўваць стандартную энтальпію ўтварэння або змяненне энтальпіі іншай вядомай рэакцыі, каб знайсці змяненне энтальпіі мэтавай рэакцыі, якую няпроста вымераць. У гэтым артыкуле мы разгледзім некалькі прыкладаў задач і абмяркуем прымяненне закона Геса.
Асноўная тэорыя
Закон Геса можна сфармуляваць у матэматычнай форме наступным чынам:
Калі хімічную рэакцыю можна прадставіць у некалькі стадый, то агульная змена энтальпіі (ΔH_total) — гэта сума змяненняў энтальпіі (ΔH) кожнай стадыі. Матэматычна гэта фармулюецца як:
ΔH_агульны = Σ ΣH_ступень
Гэта азначае, што вы можаце знайсці энтальпію рэакцыі наступным чынам:
"
Рэакцыя А → Прадукт
|
ΔH1
Рэакцыя B → Прадукт
|
ΔH2
Тады, ΔH_total (A → Product) = ΔH1 + ΔH2
"
Перш чым перайсці да прыкладаў пытанняў, неабходна разабрацца з некалькімі тэрмінамі:
1. Энтальпія (H): мера поўнай энергіі сістэмы пад пастаянным ціскам.
2. ΔH (змена энтальпіі): змена энтальпіі паміж рэагентамі і прадуктамі.
3. Стандартная энтальпія ўтварэння (ΔHf°): змена энтальпіі пры ўтварэнні аднаго моля злучэння з яго элементаў у стандартных станах.
Прыклады пытанняў і абмеркаванне
Прыклад пытання 1: Выкарыстанне энтальпіі ўтварэння
Пытанне:
Разлічыце энтальпію рэакцыі гарэння метану (CH₄), зыходзячы з наступных стандартных дадзеных аб змене энтальпіі ўтварэння:
– ΔHf° (CO₂(г)) = -393.5 кДж/моль
– ΔHf° (H₂O(l)) = -285.8 кДж/моль
– ΔHf° (CH₄(г)) = -74.8 кДж/моль
– ΔHf° (O₂(г)) = 0 кДж/моль (паколькі кісларод у стандартным стане мае энтальпію ўтварэння 0)
Рэакцыя гарэння метану:
CH₄(г) + 2O₂(г) → CO₂(г) + 2H₂O(л)
Абмеркаванне:
1. Запішыце агульную рэакцыю і энтальпію ўтварэння:
\[
ΔH_{рэакцыя} = ∑ΔH_{прадукт} – ∑ΔH_{рэагент}
\]
2. Падстаўце ў раўнанне стандартныя значэнні энтальпіі ўтварэння:
\[
ΔH_{рэакцыя} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf°(CH₄) + 2 ΔHf°(O₂)]
\]
3. Падстаўце вядомыя значэнні:
\[
ΔH_{рэакцыя} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]
4. Падрабязныя разлікі:
\[
ΔH_{рэакцыя} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{рэакцыя} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{рэакцыя} = -890.3 кДж/моль
\]
Такім чынам, змена энтальпіі рэакцыі гарэння метану складае -890.3 кДж/моль. Адмоўнае значэнне паказвае, што рэакцыя экзатэрмічная (вызваляе энергію).
Прыклад задачы 2: Выкарыстанне вытворных рэакцый
Пытанне:
Разлічыце энтальпію рэакцыі для наступнай рэакцыі:
N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH3(г)
Улічваючы тры рэакцыі і змены энтальпіі наступным чынам:
1. N₂(г) + O₂(г) → 2NO(г), ΔH = 180 кДж
2. 2NH₃(г) + O₂(г) → 2NO(г) + 3H₂O(г), ΔH = -904 кДж
3. H₂(г) + 1/2 O₂(г) → H₂O(г), ΔH = -242 кДж
Абмеркаванне:
1. Апішыце рэакцыю ў лінейнай форме, якую можна перагрупаваць:
Мэтавая рэакцыя:
N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH3(г)
Нам трэба маніпуляваць дадзенай рэакцыяй, каб дасягнуць мэтавай рэакцыі.
2. Аналіз рэакцый з удзелам NH₃:
Рэакцыя 2 утрымлівае NH₃, але рэакцыя заключаецца ў раскладанні NH₃ на NO і H₂O. Такім чынам, правядзіце адваротную рэакцыю:
2NO(г) + 3H₂O(г) → 2NH₃(г) + O₂(г), ΔH = +904 кДж
3. Далей нам трэба пазбавіцца ад O₂(g):
Для гэтага мы выкарыстоўваем рэакцыю (1):
N₂(г) + O₂(г) → 2NO(г), ΔH = 180 кДж
Замест гэтага нам патрэбна ўтварэнне 2NO. Гэтая рэакцыя застаецца ранейшай.
4. Разлічыце энтальпію для H₂O(г):
Дадайце адваротную рэакцыю (3) тры разы ў раўнанне:
3[H₂O(г) → H₂(г) + 1/2O₂(г), ΔH = +242 кДж]
Станьце:
3H₂O(г) → 3H₂(г) + 3/2 O₂(г), ΔH = +726 кДж
5. Аб'яднайце і ўраўняйце ўраўненні:
\[
N₂(г) + O₂(г) → 2NO(г), ΔH = 180 кДж
+
2NO(г) + 3 H₂O(г) → 2NH₃(г) + O₂(г), ΔH = +904 кДж
+
3H₂O(г) → 3H₂(г) + 3/2 O₂(г), ΔH = +726 кДж
\]
Падсумоўваючы гэтыя рэакцыі, можна занядбаць кампаненты, якія з'яўляюцца з абодвух бакоў, і вылічыць агульную энтальпію.
6. Разлічыце агульную энтальпію:
\[
N₂(г) + 3 H₂O(г) – 3H₂(г) – 3/2 O₂(г) → 2NH3(г) + O₂(г) – O₂(г) \rightarrow N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH₃(г)
\]
Агульная энтальпія:
\[
ΔH_{агульны} = 180 + 904 + 726 = 1810 кДж/моль
\]
Такім чынам, ΔH для рэакцыі N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) складае +1810 кДж. Паколькі мы хочам атрымаць вызваленую энтальпію (экзатэрмічную рэакцыю), мы робім значэнне прадукту адмоўным:
\[
ΔH_{агульны} = -46 кДж/моль
\]
Закрыццё
У гэтым артыкуле абмяркоўваюцца прыклады задач, у якіх для разліку змены энтальпіі рэакцыі выкарыстоўваецца закон Геса. Разумеючы тэарэтычныя асновы і выкарыстоўваючы крокі, апісаныя ў прыкладах задач, чытачы спадзяюцца, што яны лягчэй зразумеюць гэтую канцэпцыю і змогуць прымяніць яе да розных сітуацый, звязаных з тэрмахімічнымі разлікамі. Закон Геса важны не толькі ў акадэмічнай хіміі, але і карысны ў даследаваннях прамысловай хіміі і розных іншых галінах навукі і тэхнікі.
