Cwestiynau Enghreifftiol yn Trafod Enthalpi a Newidiadau Enthalpi
Mae enthalpi yn gysyniad allweddol mewn thermodynameg gemegol, a geir yn aml mewn amrywiol bynciau cemeg, o adweithiau cemegol i newidiadau cyfnod. Yn yr erthygl hon, byddwn yn adolygu sawl problem enghreifftiol ac yn trafod enthalpi a newidiadau enthalpi i'n helpu i ddeall y cysyniad yn well.
Deall Enthalpi
Enthalpi (H) yw cyfanswm yr ynni mewn system thermodynamig. Mae'n cynnwys nid yn unig yr ynni mewnol sydd wedi'i storio mewn gronynnau ond hefyd yr ynni sydd ei angen i greu lle i'r gronynnau mewn amgylchedd pwysau penodol. Mesurir enthalpi mewn joules (J) yn y System Ryngwladol (SI).
Yn fathemategol, diffinnir enthalpi fel:
\[ H = U + PV \]
Ble:
– \( H \) yw'r enthalpi
– \( U \) yw'r egni mewnol
– \( P \) yw'r pwysau
– \( V \) yw'r gyfaint
Newid Enthalpi
Mae newid enthalpi (\( ΔH \)) yn digwydd pan fydd adwaith cemegol neu broses ffisegol yn digwydd. Gellir diffinio'r newid enthalpi hwn fel faint o wres sy'n cael ei ryddhau neu ei amsugno gan system ar bwysau cyson. Yn fathemategol:
\[ \Delta H = H_{\text{cynnyrch}} – H_{\text{adweithydd}} \]
Adweithiau ecsothermig yw adweithiau sy'n rhyddhau gwres i'r amgylchedd, ac yn yr adweithiau hyn, mae ΔH yn negatif. Yn y cyfamser, adwaith endothermig yw adwaith sy'n amsugno gwres o'r amgylchedd, ac yn yr adwaith hwn, mae gan ΔH werth positif.
Cwestiynau Enghreifftiol a Thrafodaeth
Cwestiwn Enghraifft 1: Newid yn Enthalpi Hylosgi
Cwestiwn:
Gwyddys bod hylosgi cyflawn 1 mol o fethan (\(CH_4\)) yn cynhyrchu carbon deuocsid (\(CO_2\)) a dŵr (\(H_2O\)). Dyma enthalpi data ffurfio:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Cyfrifwch y newid enthalpi (\( ΔH \)) yn yr adwaith hylosgi.
Trafodaeth:
Dyma adwaith hylosgi methan:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Gellir cyfrifo newid enthalpi'r adwaith (\( ΔH \)) gan ddefnyddio enthalpi ffurfiant:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{cynhyrchion} – \Sigma \Delta H_f \text{adweithyddion} \]
Cynnyrch:
[ΔH_f(CO_2(g)) = -393.5 kJ/mol]
[ΔH_f(H_2O(l)) = -285.8 kJ/mol]
Cyfanswm enthalpi cynhyrchion:
[(-393.5 kJ/mol) + 2 gwaith (-285.8 kJ/mol) = -393.5 – 571.6 = -965.1 kJ/mol]
Adweithyddion:
[ΔH_f(CH_4(g)) = -74.8 kJ/mol]
[ΔH_f(O_2(g)) = 0 kJ/mol]
(Mae gan ocsigen yn ei gyflwr safonol enthalpi ffurfio o sero.)
Cyfanswm enthalpi'r adweithyddion:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2 \times(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Felly, y newid mewn enthalpi (\( ΔH \)) yw:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[Delta H = -965.1 + 74.8 \]
[ΔH = -890.3 kJ/mol]
Felly, y newid enthalpi ar gyfer hylosgi 1 mol o fethan yw \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Cwestiwn Enghraifft 2: Newidiadau Enthalpi mewn Prosesau Ffisegol
Cwestiwn:
Cyfrifwch y newid enthalpi pan gaiff 50 gram o iâ (\(H_2O_{(s)}\)) ar 0°C ei doddi i ddŵr (\(H_2O_{(l)}\)) ar 0°C. Gwyddys bod gwres toddi iâ (\( ΔH_{\text{fus}} \)) yn 6.01 kJ/mol a bod màs molar dŵr yn 18 g/mol.
Trafodaeth:
Y cam cyntaf yw cyfrifo nifer y molau o iâ.
\[ \text{Molau o iâ} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
Nesaf rydym yn cyfrifo'r newid enthalpi ar gyfer toddi'r iâ:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
[ΔH = 2.78 mol 6.01 kJ/mol]
\[ \Delta H \tua 16.7 \text{kJ} \]
Felly, mae'r newid enthalpi wrth doddi 50 gram o rew ar 0°C tua 16.7 kJ. Mae hon yn broses endothermig oherwydd bod yr iâ yn amsugno gwres i droi'n ddŵr.
Enghraifft 3: Adwaith Hess
Cwestiwn:
Defnyddiwch gyfraith Hess i bennu'r newid enthalpi ar gyfer yr adwaith canlynol:
\[ 2 C(graffit) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Mae sawl adwaith yn hysbys gyda'u newidiadau enthalpi priodol:
1. \( C(graffit) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \ΔH = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), ΔH = -285.8 \text{kJ \)
3. (2 C₃H₆(g) + 7 O₂(g) = 4 CO₃(g) + 6 H₂O(l), ΔH = -3119.6 kJ)
Trafodaeth:
I gyfrifo'r newid enthalpi (\( ΔH \)) yn yr adwaith, mae angen i ni wrthdroi a lluosi rhai o'r adweithiau i gyd-fynd â'r adwaith targed.
Camau:
1. Newidiwch yr adwaith \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Adweithiau gwrthdroi a rhannu:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Adwaith \(C \rightarrow CO_2\):
[4C(graffit) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \DeltaH = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Adwaith \(H_2\arrow righteous H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Gan gyfuno'r cyfan, cawn:
\[2C(graffit) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
[ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ]
Felly, y newid enthalpi yn adwaith 2 fol o graffit a 3 mol o \(H_2\) i \(C_2H_6(g)\) yw -1729 kJ.
Felly, mae deall y cysyniad o enthalpi a'i gymhwysiad i wahanol fathau o adweithiau yn rhoi cipolwg ar sut mae ynni'n gysylltiedig â newidiadau cemegol a ffisegol. Mae'r problemau uchod yn rhai enghreifftiau a ddefnyddir yn aml yn y cwricwlwm i atgyfnerthu dealltwriaeth o'r cysyniadau hyn.
