Прыклады пытанняў і абмеркаванне тэрмахімічных ураўненняў
Тэрмахімія — гэта раздзел хіміі, які вывучае змены энергіі падчас хімічных рэакцый, у прыватнасці, цеплаперадачу. Тэрмахімія ўключае ў сябе такія паняцці, як энтальпія, энтрапія і свабодная энергія Гібса, якія выкарыстоўваюцца для прагназавання кірунку і спантаннасці рэакцый. У гэтым артыкуле мы разгледзім некалькі прыкладаў задач і абмяркуем тэрмахімічныя ўраўненні.
Асноўныя паняцці тэрмахіміі
Перш чым перайсці да прыкладаў пытанняў і іх абмеркавання, важна ведаць некаторыя асноўныя паняцці тэрмахіміі:
1. Энтальпія (H): Энтальпія — гэта форма энергіі ў сістэме, якая вымяраецца пры пастаянным ціску. Змяненне энтальпіі (ΔH) можна выразіць як:
\[ \Delta H = H_{прадукт} – H_{рэагент} \]
2. Эндатэрмічныя і экзатэрмічныя рэакцыі:
– Экзатэрмічныя рэакцыі — гэта рэакцыі, якія вызваляюць цяпло ў навакольнае асяроддзе (ΔH < 0). - Эндатэрмічныя рэакцыі — гэта рэакцыі, якія паглынаюць цяпло з навакольнага асяроддзя (ΔH > 0).
3. Закон Геса: Закон Геса сцвярджае, што агульнае змяненне энтальпіі хімічнай рэакцыі аднолькавае незалежна ад таго, ці адбываецца рэакцыя ў адзін ці некалькі этапаў. Яго можна сфармуляваць наступным чынам:
\[ \Delta H_{агульны} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + … + \Delta H_n \]
Прыклады пытанняў і абмеркаванне
Прыклад пытання 1: Разлік змены энтальпіі
Улічваючы наступныя рэакцыі:
\[ 2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l) \]
Калі вядома, што змяненне энтальпіі ўтварэння (ΔH_f) вады складае -285.8 кДж/моль, разлічыце агульнае змяненне энтальпіі рэакцыі.
Абмеркаванне:
Змяненне энтальпіі рэакцыі (\( \Delta H_{reaction} \)) можна разлічыць, выкарыстоўваючы змяненне энтальпіі ўтварэння прадуктаў і рэагентаў.
Вядома:
– \[ \Delta H_f(H_2O(l)) = -285.8 \text{ кДж/моль} \]
Паколькі ўтвараюцца два моля вады, агульная змена энтальпіі рэакцыі складае:
\[ \Delta H_{рэакцыя} = 2(-285.8 \text{ кДж/моль}) \]
\[ \Delta H_{рэакцыя} = -571.6 \text{ кДж} \]
Такім чынам, агульная змена энтальпіі для гэтай рэакцыі складае -571.6 кДж. Гэтая рэакцыя экзатэрмічная, таму што ΔH адмоўная.
Прыклад пытання 2: Выкарыстанне закона Геса
Улічваючы наступныя рэакцыі:
\[ C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \hspace{2mm} \text{(1)} \]
\[ C(s) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO(g) \hspace{2mm} \text{(2)} \]
\[ CO(г) + 1/2 O_2(г) \rightarrow CO_2(г) \hspace{2мм} \text{(3)} \]
Вядома:
– \(\Delta H_1 = -393.5 \text{ кДж}\)
– \(\Delta H_2 = -110.5 \text{ кДж}\)
Разлічыце змяненне энтальпіі рэакцыі (3).
Абмеркаванне:
Выкарыстайце закон Геса, каб вызначыць змяненне энтальпіі рэакцыі (3). Звярніце ўвагу, што рэакцыя (3) можа складацца з рэакцый (1) і (2):
\[ \text{Рэакцыя } (3): CO(г) + 1/2 O_2(г) \rightarrow CO_2(г) \]
Інвертуйце рэакцыю (2), каб выкарыстаць закон Геса:
\[ CO_2(г) \rightarrow C(с) + O_2(г) \hspace{2мм} \text{(адваротная велічыня 1)}, \Delta H = +393.5 \text{кДж} \]
\[ C(s) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO(g) \hspace{2mm} \text{(2)}, \Delta H = -110.5 \text{ кДж} \]
Цяпер падсумуйце рэакцыі:
\[ CO_2(г) \rightarrow C(s) + O_2(г) + 1/2 O_2(г) \rightarrow CO(г) + 1/2 O_2(г) \]
\[ CO_2(г) \rightarrow C(s) + O_2(г) \rightarrow CO(г) + 1/2 O_2(г) \]
Падлічыце змены энтальпіі:
\[ \Delta H_{рэакцыя} = 393.5 – 110.5 \text{ кДж}\]
\[ \Delta H_{рэакцыя} = 283.0 \text{ кДж}\]
Такім чынам, для рэакцыі (CO(г) + 1/2 O_2(г) \rightarrow CO_2(г)) змена энтальпіі складае -283.0 кДж.
Прыклад пытання 3: Рэакцыя каларыметра
Дадзена 100 мл 1.0 М салянай кіслаты (HCl) і 100 мл 1.0 М гідраксіду натрыю (NaOH). Калі гэтыя два рэчывы змяшаць у каларыметры, тэмпература павялічыцца з 25.0 °C да 31.0 °C. Калі цеплаёмістасць воднага раствора складае 4.18 Дж/г °C, а шчыльнасць раствора — 1.0 г/мл, разлічыце змяненне энтальпіі нейтралізацыі.
Абмеркаванне:
Лангках-лангках:
1. Вылічыце масу раствора:
\[ \text{Агульны аб'ём} = 100 \text{ мл} + 100 \text{ мл} = 200 \text{ мл} \]
\[ \text{Маса} = 200 \text{ г} \] (таму што шчыльнасць раствора роўная 1 г/мл)
2. Разлічыце змяненне тэмпературы:
\[ \Delta T = 31.0 \text{ °C} – 25.0 \text{ °C} = 6.0 \text{ °C} \]
3. Разлічыце энергію, паглынутую растворам:
\[q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
\[ q = 200 г множыць на 4.18 Дж/г°C множыць на 6.0 °C]
\[q = 5016 \text{J} \]
\[q = 5.016 \text{ кДж} \]
4. Разлічыце змяненне энтальпіі:
\[ \ΔH = \frac{q_{\text{раствор}}}{\text{моль HCl}} \]
Улічваючы, што моляры HCl і NaOH аднолькавыя:
\[ \text{Молі HCl} = 1.0 \text{ M} \times 0.100 \text{ L} = 0.100 \text{ моль} \]
\[ \Delta H = \frac{5.016 \text{ кДж}}{0.100 \text{ моль}} \]
\[ \Delta H = -50.16 \text{ кДж/моль} \]
Такім чынам, змена энтальпіі для нейтралізацыі HCl і NaOH складае -50.16 кДж/моль, што сведчыць пра экзатэрмічную рэакцыю.
Выснова
Тэрмахімія — гэта жыццёва важны раздзел хіміі, які дапамагае нам зразумець, як энергія трансфармуецца і пераўтвараецца ў хімічных рэакцыях. Разумеючы фундаментальныя паняцці, такія як энтальпія і закон Геса, і маючы магчымасць прымяняць іх да практычных задач, мы можам прадказваць змены энергіі, якія адбываюцца ў розных хімічных рэакцыях. У гэтым артыкуле прадстаўлена некалькі прыкладаў задач, якія, спадзяемся, дапамогуць вам палепшыць разуменне тэрмахімічных ураўненняў.
