Exemples de preguntes sobre l'entalpia i els canvis d'entalpia
L'entalpia és un concepte clau en la termodinàmica química, que es troba amb freqüència en diversos temes de química, des de reaccions químiques fins a canvis de fase. En aquest article, revisarem diversos problemes d'exemple i parlarem de l'entalpia i els canvis d'entalpia per ajudar-nos a entendre millor el concepte.
Comprensió de l'entalpia
L'entalpia (H) és la quantitat total d'energia en un sistema termodinàmic. Inclou no només l'energia interna emmagatzemada a les partícules, sinó també l'energia necessària per crear espai per a les partícules en un entorn de pressió determinat. L'entalpia es mesura en joules (J) en el Sistema Internacional (SI).
Matemàticament, l'entalpia es defineix com:
\[ H = U + PV \]
On:
– \(H \) és l'entalpia
– \(U\) és l'energia interna
– \(P\) és la pressió
– \(V \) és el volum
Canvi d'entalpia
El canvi d'entalpia (ΔH) es produeix quan té lloc una reacció química o un procés físic. Aquest canvi d'entalpia es pot definir com la quantitat de calor alliberada o absorbida per un sistema a pressió constant. Matemàticament:
\[ ΔH = H_{\text{producte}} – H_{\text{reactiu}} \]
Les reaccions exotèrmiques són reaccions que alliberen calor al medi ambient, i en aquestes reaccions, ΔH és negatiu. Mentrestant, una reacció endotèrmica és una reacció que absorbeix calor del medi ambient, i en aquesta reacció, ΔH té un valor positiu.
Exemples de preguntes i debat
Exemple de pregunta 1: Canvi d'entalpia de combustió
Pregunta:
Se sap que la combustió completa d'1 mol de metà (CH4) produeix diòxid de carboni (CO2) i aigua (H2O). Les dades d'entalpia de formació són les següents:
– (ΔH_{f, H_2O(l) = -285.8 kJ/mol)
– (ΔH_{f, CO_2(g) = -393.5 kJ/mol)
– (ΔH_{f, CH_4(g) = -74.8 kJ/mol)
Calcula el canvi d'entalpia (ΔH)) de la reacció de combustió.
Discussió:
La reacció de combustió del metà és:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
El canvi d'entalpia de la reacció (\(ΔH\)) es pot calcular utilitzant l'entalpia de formació:
\[ ΔH = \Sigma \ΔH_f \text{productes} – \Sigma \ΔH_f \text{reactius} \]
Producte:
ΔH_f (CO_2 (g)) = -393.5 kJ/mol
ΔH_f (H_2O (l)) = -285.8 kJ/mol
Entalpia total dels productes:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2 \text(-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Reactius:
ΔH_f (CH_4 (g)) = -74.8 kJ/mol
ΔH_f (O_2 (g)) = 0 kJ/mol
(L'oxigen en el seu estat estàndard té una entalpia de formació de zero.)
Entalpia total dels reactius:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2 \times (0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Així doncs, el canvi d'entalpia (\( \Delta H \)) és:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ ΔH = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Així doncs, el canvi d'entalpia per a la combustió d'1 mol de metà és de \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Exemple de pregunta 2: Canvis d'entalpia en processos físics
Pregunta:
Calcula el canvi d'entalpia quan 50 grams de gel (\(H_2O_{(s)}\)) a 0 °C es fonen en aigua (\(H_2O_{(l)}\)) a 0 °C. Se sap que la calor de fusió del gel (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) és de 6.01 kJ/mol i la massa molar de l'aigua és de 18 g/mol.
Discussió:
El primer pas és calcular el nombre de mols de gel.
\[ \text{Mols de gel} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \aprox 2.78 \text{mol} \]
A continuació, calculem el canvi d'entalpia per a la fusió del gel:
\[ ΔH = n ΔH_{\text{fus}} \]
ΔH = 2.78 mol⁻¹ 6.01 kJ/mol
\[ ΔH \aprox. 16.7 \text{kJ} \]
Així doncs, el canvi d'entalpia en fondre 50 grams de gel a 0 °C és d'uns 16.7 kJ. Aquest és un procés endotèrmic perquè el gel absorbeix calor per convertir-se en aigua.
Exemple 3: Reacció de Hess
Pregunta:
Utilitza la llei de Hess per determinar la variació d'entalpia de la següent reacció:
\[ 2 C(grafit) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Es coneixen diverses reaccions amb els seus respectius canvis d'entalpia:
1. (C(grafit) + O₂(g)⁻ CO₂(g), ΔH = -393.5 kJ)
2. (H_2(g) + 1/2 O_2(g) H_2O(l), ΔH = -285.8 kJ)
3. (2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) = 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), ΔH = -3119.6 kJ)
Discussió:
Per calcular el canvi d'entalpia (ΔH) de la reacció, cal invertir i multiplicar algunes de les reaccions perquè coincideixin amb la reacció objectiu.
Langkah-langkah:
1. Canvia la reacció \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Reaccions inverses i de divisió:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reacció \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafit) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 × -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reacció \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Combinant-ho tot, obtenim:
\[2C(grafit) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ
Així doncs, el canvi d'entalpia de la reacció de 2 mols de grafit i 3 mols de \(H_2\) a \(C_2H_6(g)\) és de -1729 kJ.
Així doncs, comprendre el concepte d'entalpia i la seva aplicació a diversos tipus de reaccions proporciona informació sobre com l'energia està implicada en els canvis químics i físics. Els problemes anteriors són alguns exemples que s'utilitzen amb freqüència al currículum per reforçar la comprensió d'aquests conceptes.
