Ekzemplaj Demandoj Diskutante Entalpion kaj Entalpiajn Ŝanĝojn
Entalpio estas ŝlosila koncepto en kemia termodinamiko, ofte renkontata en diversaj kemiaj temoj, de kemiaj reakcioj ĝis fazŝanĝoj. En ĉi tiu artikolo, ni revizios plurajn ekzemplajn problemojn kaj diskutos entalpion kaj entalpiajn ŝanĝojn por helpi nin pli bone kompreni la koncepton.
Komprenante Entalpion
Entalpio (H) estas la tuta kvanto de energio en termodinamika sistemo. Ĝi inkluzivas ne nur la internan energion stokitan en partikloj, sed ankaŭ la energion bezonatan por krei spacon por la partikloj en difinita premmedio. Entalpio estas mezurata en ĵuloj (J) en la Internacia Sistemo (SI).
Matematike, entalpio estas difinita kiel:
\[ H = U + PV \]
Kie:
– \(H \) estas la entalpio
– \(U \) estas la interna energio
– \(P \) estas premo
– \(V \) estas la volumeno
Entalpia Ŝanĝo
Entalpia ŝanĝo (ΔH) okazas kiam kemia reakcio aŭ fizika procezo okazas. Ĉi tiu entalpia ŝanĝo povas esti difinita kiel la kvanto de varmo liberigita aŭ absorbita de sistemo je konstanta premo. Matematike:
\[ ΔH = H_{\tekst{produkto}} – H_{\tekst{reaktanto}} \]
Eksotermaj reakcioj estas reakcioj kiuj liberigas varmon en la medion, kaj en ĉi tiuj reakcioj, ΔH estas negativa. Dume, endoterma reakcio estas reakcio kiu absorbas varmon el la medio, kaj en ĉi tiu reakcio, ΔH havas pozitivan valoron.
Specimenaj Demandoj kaj Diskuto
Ekzempla Demando 1: Ŝanĝo en Entalpio de Bruligado
Demando:
Estas konate, ke la kompleta brulado de 1 molo da metano (\(CH_4\)) produktas karbondioksidon (\(CO_2\)) kaj akvon (\(H_2O\)). La datumoj pri entalpio de formiĝo estas jenaj:
– (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)
Kalkulu la entalpian ŝanĝon (ΔH)) de la bruladreakcio.
Diskuto:
La bruligreakcio de metano estas:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
La entalpia ŝanĝo de la reakcio (\(ΔH\)) povas esti kalkulita uzante la formiĝan entalpion:
\[ ΔH = ΔH_f \tekst{produktoj} – ΔH_f \tekst{reakciantoj} \]
Produkto:
ΔH_f (CO_2 (g)) = -393.5 kJ/mol
ΔH_f (H_2O(l)) = -285.8 kJ/mol
Totala entalpio de produktoj:
\[ (-393.5 kJ/mol) + 2 × (-285.8 kJ/mol) = -393.5 – 571.6 = -965.1 kJ/mol]
Reakciantoj:
ΔH_f (CH_4 (g)) = -74.8 kJ/mol
ΔH_f (O_2 (g)) = 0 kJ/mol
(Oksigeno en sia norma stato havas formiĝ-entalpion de nulo.)
Totala entalpio de reakciantoj:
\[ (-74.8 kJ/mol) + 2 × (0 kJ/mol) = -74.8 kJ/mol]
Do, la ŝanĝo en entalpio (\( \Delta H \)) estas:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ ΔH = -890.3 \tekst{kJ/mol} \]
Do, la entalpia ŝanĝo por la brulado de 1 molo da metano estas \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Ekzempla Demando 2: Entalpiaj Ŝanĝoj en Fizikaj Procezoj
Demando:
Kalkulu la entalpian ŝanĝon kiam 50 gramoj da glacio (\(H_2O_{(s)}\)) je 0°C fandiĝas en akvon (\(H_2O_{(l)}\)) je 0°C. Oni scias, ke la fandovarmo de glacio (\(ΔH_{\text{fus}} \)) estas 6.01 kJ/mol kaj la mola maso de akvo estas 18 g/mol.
Diskuto:
La unua paŝo estas kalkuli la nombron de molaĵoj da glacio.
\[ \tekst{Haŭtmakuloj da glacio} = \frac{50 \tekst{g}}{18 \tekst{g/mol}} \proksimume 2.78 \tekst{mol} \]
Poste ni kalkulas la entalpian ŝanĝon por fandado de la glacio:
\[ ΔH = n ΔH_{\text{fus}} \]
ΔH = 2.78 mol⁻¹ 6.01 kJ/mol
\[ ΔH \proksimume 16.7 \tekst{kJ} \]
Do, la entalpia ŝanĝo dum fandado de 50 gramoj da glacio je 0 °C estas ĉirkaŭ 16.7 kJ. Ĉi tio estas endoterma procezo ĉar la glacio absorbas varmon por transformiĝi en akvon.
Ekzemplo 3: Reakcio de Hess
Demando:
Uzu la leĝon de Hess por determini la entalpian ŝanĝon por la jena reakcio:
\[ 2 C(grafito) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Pluraj reakcioj estas konataj kun siaj respektivaj entalpiaj ŝanĝoj:
1. (C(grafito) + O₂(g)⁻ CO₂(g), ΔH = -393.5 kJ)
2. (H₂(g) + 1/2 O₂(g) H₂O(l), ΔH = -285.8 kJ)
3. (2 C₂H₆(g) + 7 O₂(g) = 4 CO₂(g) + 6 H₂O(l), ΔH = -3119.6 kJ)
Diskuto:
Por kalkuli la entalpian ŝanĝon (\(ΔH\)) de la reakcio, ni bezonas inversigi kaj multipliki kelkajn el la reakcioj por kongrui kun la cela reakcio.
Langkah-langkah:
1. Ŝanĝu la reakcion \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Inversaj kaj dividaj reakcioj:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reakcio \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafito) + 4O₂(g) \rightarrow 4CO₂(g), \Delta H = 4 × -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reakcio \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Kombinante ĉion, ni ricevas:
\[2C(grafito) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ
Do, la entalpia ŝanĝo de la reakcio de 2 moloj da grafito kaj 3 moloj da \(H_2\) al \(C_2H_6(g)\) estas -1729 kJ.
Tiel, kompreni la koncepton de entalpio kaj ĝian aplikon al diversaj specoj de reakcioj donas komprenon pri kiel energio partoprenas en kemiaj kaj fizikaj ŝanĝoj. La problemoj supre estas kelkaj ekzemploj ofte uzataj en la instruplano por plifortigi la komprenon de ĉi tiuj konceptoj.
