Cwestiynau Enghreifftiol yn Trafod Cyfraith Hess
Rhagymadrodd
Mae Deddf Hess, a enwyd ar ôl y cemegydd Rwsiaidd Germain Henri Hess, yn un o egwyddorion sylfaenol thermodynameg gemegol sy'n ymwneud ag egni adweithiau cemegol. Mae'r gyfraith hon yn nodi nad yw cyfanswm y gwres (egni) a gynhyrchir neu a amsugnir mewn adwaith cemegol yn dibynnu ar y llwybr a gymerir ond yn unig ar amodau cychwynnol a therfynol y system. Mae'r egwyddor sylfaenol hon yn ddefnyddiol iawn wrth gyfrifo'r newid enthalpi (ΔH) mewn adweithiau sy'n anodd eu mesur yn uniongyrchol.
Mae Cyfraith Hess yn hanfodol oherwydd ei bod yn caniatáu inni ddefnyddio enthalpi safonol ffurfiant neu newid enthalpi adwaith hysbys arall i ddod o hyd i newid enthalpi adwaith targed nad yw'n hawdd ei fesur. Yn yr erthygl hon, byddwn yn edrych ar sawl problem enghreifftiol ac yn trafod cymhwysiad Cyfraith Hess.
Damcaniaeth sylfaenol
Gellir llunio cyfraith Hess ar ffurf fathemategol fel a ganlyn:
Os gellir mynegi adwaith cemegol mewn sawl cam, yna cyfanswm y newid enthalpi (ΔH_cyfanswm) yw swm y newidiadau enthalpi (ΔH) ym mhob cam. Yn fathemategol, caiff ei lunio fel:
ΔH_cyfanswm = Σ ΔH_cam
Mae hyn yn golygu y gallwch chi ddod o hyd i enthalpi adwaith fel hyn:
“`
Adwaith A → Cynnyrch
|
ΔH1
Adwaith B → Cynnyrch
|
ΔH2
Yna, ΔH_cyfanswm (A → Cynnyrch) = ΔH1 + ΔH2
“`
Cyn mynd i mewn i'r cwestiynau enghreifftiol, mae sawl term y mae angen eu deall:
1. Enthalpi (H): Mesur o gyfanswm ynni system o dan bwysau cyson.
2. ΔH (Newid enthalpi): Newid yn yr enthalpi rhwng adweithyddion a chynhyrchion.
3. Enthalpi Safonol Ffurfiant (ΔHf°): Y newid mewn enthalpi pan ffurfir un mol o gyfansoddyn o'i elfennau mewn cyflyrau safonol.
Cwestiynau Enghreifftiol a Thrafodaeth
Cwestiwn Enghraifft 1: Defnyddio Enthalpi Ffurfiant
Cwestiwn:
Cyfrifwch enthalpi'r adwaith ar gyfer hylosgi methan (CH₄) yn seiliedig ar y data newid enthalpi safonol canlynol o ran ffurfiant:
– ΔHf° (CO₂(g)) = -393.5 kJ/mol
– ΔHf° (H₂O(l)) = -285.8 kJ/mol
– ΔHf° (CH₄(g)) = -74.8 kJ/mol
– ΔHf° (O₂(g)) = 0 kJ/mol (oherwydd bod gan nwy ocsigen yn ei gyflwr safonol enthalpi ffurfio o 0)
Adwaith hylosgi methan:
CH₄(g) + 2O₂(n) → CO₂(n) + 2H₂O(h)
Trafodaeth:
1. Ysgrifennwch yr adwaith cyffredinol ac enthalpi'r ffurfiant:
\[
ΔH_{adwaith} = ∑ΔH_{cynnyrch} – ∑ΔH_{adweithydd}
\]
2. Amnewidiwch enthalpi safonol gwerthoedd ffurfiant yn yr hafaliad:
\[
ΔH_{adwaith} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf°(CH₄) + 2 ΔHf°(O₂)]
\]
3. Amnewidiwch y gwerthoedd hysbys:
\[
ΔH_{adwaith} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]
4. Cyfrifiadau manwl:
\[
ΔH_{adwaith} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{adwaith} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{adwaith} = -890.3 kJ/mol
\]
Felly, y newid enthalpi ar gyfer adwaith hylosgi methan yw -890.3 kJ/mol. Mae gwerth negyddol yn dangos bod yr adwaith yn ecsothermig (rhyddhau egni).
Problem Enghraifft 2: Defnyddio Adweithiau Deilliedig
Cwestiwn:
Cyfrifwch enthalpi'r adwaith ar gyfer yr adwaith canlynol:
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
O ystyried tri adwaith a newidiadau enthalpi fel a ganlyn:
1. N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ
2. 2NH₃(g) + O₂(g) → 2NO(g) + 3H₂O(g), ΔH = -904 kJ
3. H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(g), ΔH = -242 kJ
Trafodaeth:
1. Disgrifiwch yr adwaith ar ffurf llinol y gellir ei haildrefnu:
Adwaith targed:
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
Mae angen i ni drin yr adwaith penodol i gwrdd â'r adwaith targed.
2. Dadansoddiad o adweithiau sy'n cynnwys NH₃:
Mae adwaith 2 yn cynnwys NH₃, ond yr adwaith yw torri NH₃ i lawr yn NO a H₂O. Felly, gwrthdrowch yr adwaith hwn:
2NO(g) + 3H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 kJ
3. Nesaf, mae angen i ni gael gwared ar O₂(g):
Ar gyfer hyn, rydym yn defnyddio adwaith (1):
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ
Yn lle hynny, mae angen i ni gynhyrchu 2NO. Mae'r adwaith hwn yn aros yr un fath.
4. Cyfrifwch yr enthalpi ar gyfer H₂O(g):
Ychwanegwch yr adwaith gwrthdro (3) dair gwaith i'r hafaliad:
3[H₂O(g) → H₂(g) + 1/2O₂(g), ΔH = +242 kJ]
Dod yn:
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 kJ
5. Cyfunwch a chydbwyswch yr hafaliadau:
\[
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ
+
2NO(g) + 3 H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 kJ
+
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 kJ
\]
Wrth grynhoi'r adweithiau hyn, gallwn anwybyddu'r cydrannau sy'n ymddangos ar y ddwy ochr a chyfrifo'r enthalpi cyfan.
6. Cyfrifwch y cyfanswm enthalpi:
\[
N₂(g) + 3 H₂O(g) – 3H₂(g) – 3/2 O₂(g) → 2NH₃(g) + O₂(g) – O₂(g) \rightarrow N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
\]
Cyfanswm enthalpi:
\[
ΔH_{cyfanswm} = 180 + 904 + 726 = 1810 kJ/mol
\]
Felly, ΔH ar gyfer yr adwaith N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) yw +1810kJ. Gan ein bod ni eisiau rhyddhau'r enthalpi (ecsothermig) rydym ni'n gwneud gwerth y cynnyrch yn negatif:
\[
ΔH_{cyfanswm} = -46 kJ/mol
\]
Cau
Mae'r erthygl hon yn trafod problemau enghreifftiol sy'n defnyddio Deddf Hess i gyfrifo newid enthalpi adwaith. Drwy ddeall y sail ddamcaniaethol a chymhwyso'r camau yn y problemau enghreifftiol, gobeithir y bydd darllenwyr yn deall y cysyniad hwn yn haws ac yn gallu ei gymhwyso i wahanol sefyllfaoedd sy'n cynnwys cyfrifiadau thermocemegol. Nid yn unig y mae Deddf Hess yn bwysig mewn cemeg academaidd ond mae hefyd yn ddefnyddiol mewn ymchwil cemeg ddiwydiannol ac amrywiol gymwysiadau eraill mewn gwyddoniaeth a thechnoleg.
