Ekzemplaj Demandoj Diskutante la Leĝon de Hess
Pendahuluan
La leĝo de Hess, nomita laŭ la rusa kemiisto Germain Henri Hess, estas unu el la fundamentaj principoj de kemia termodinamiko rilate al la energio de kemiaj reakcioj. Ĉi tiu leĝo deklaras, ke la tuta kvanto de varmo (energio) produktita aŭ absorbita en kemia reakcio ne dependas de la elektita vojo, sed nur de la komencaj kaj finaj kondiĉoj de la sistemo. Ĉi tiu baza principo estas tre utila por kalkuli la entalpian ŝanĝon (ΔH) de reakcioj, kiujn malfacilas rekte mezuri.
La leĝo de Hess estas decida ĉar ĝi permesas al ni uzi la norman entalpion de formiĝo aŭ la entalpian ŝanĝon de alia konata reakcio por trovi la entalpian ŝanĝon de cela reakcio, kiu ne estas facile mezurebla. En ĉi tiu artikolo, ni rigardos plurajn ekzemplajn problemojn kaj diskutos la aplikon de la leĝo de Hess.
Baza teorio
La leĝo de Hess povas esti formulita en matematika formo jene:
Se kemia reakcio povas esti esprimita en pluraj stadioj, tiam la totala entalpia ŝanĝo (ΔH_totale) estas la sumo de la entalpiaj ŝanĝoj (ΔH) de ĉiu stadio. Matematike, ĝi estas formulita jene:
ΔH_totale = Σ ΔH_ŝtupe
Tio signifas, ke vi povas trovi la entalpion de reakcio jene:
“
Reakcio A → Produkto
|
ΔH1
Reakcio B → Produkto
|
ΔH2
Tiam, ΔH_totale (A → Produkto) = ΔH1 + ΔH2
“
Antaŭ ol eniri la ekzemplajn demandojn, estas pluraj terminoj, kiujn oni devas kompreni:
1. Entalpio (H): Mezuro de la tuta energio de sistemo sub konstanta premo.
2. ΔH (Entalpia ŝanĝo): Ŝanĝo de entalpio inter reakciantoj kaj produktoj.
3. Norma Entalpio de Formiĝo (ΔHf°): La ŝanĝo en entalpio kiam unu molo de kombinaĵo formiĝas el ĝiaj elementoj en normaj statoj.
Specimenaj Demandoj kaj Diskuto
Ekzempla Demando 1: Utiligo de Entalpio de Formado
Demando:
Kalkulu la reakcian entalpion por la brulado de metano (CH₄) surbaze de la jenaj normaj entalpiaj ŝanĝoj de formiĝodatumoj:
– 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 (ĉar oksigena gaso en sia norma stato havas formiĝentalpion de 0)
Metana brulreakcio:
CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)
Diskuto:
1. Skribu la ĝeneralan reakcion kaj entalpion de formiĝo:
\[
ΔH_{reakcio} = ∑ΔH_{produkto} – ∑ΔH_{reaktanto}
\]
2. Anstataŭigu la normajn entalpiojn de formaj valoroj en la ekvacion:
\[
ΔH_{reakcio} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf°(CH₄) + 2 ΔHf°(O₂)]
\]
3. Anstataŭigu la konatajn valorojn:
\[
ΔH_{reakcio} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]
4. Detalaj kalkuloj:
\[
ΔH_{reakcio} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{reakcio} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{reakcio} = -890.3 kJ/mol
\]
Do, la entalpia ŝanĝo por la brulreakcio de metano estas -890.3 kJ/mol. Negativa valoro indikas, ke la reakcio estas eksoterma (liberigante energion).
Ekzempla Problemo 2: Uzante Derivitajn Reakciojn
Demando:
Kalkulu la reakcian entalpion por la jena reakcio:
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
Donitaj tri reakcioj kaj entalpiaj ŝanĝoj jene:
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
Diskuto:
1. Priskribu la reakcion en lineara formo, kiu povas esti rearanĝita:
Cela reakcio:
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
Ni bezonas manipuli la donitan reakcion por plenumi la celan reakcion.
2. Analizo de reakcioj implikantaj NH₃:
Reakcio 2 enhavas NH₃, sed la reakcio estas malkomponi NH₃ en NO kaj H₂O. Tial, inversigu ĉi tiun reakcion:
2NO(g) + 3H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 kJ
3. Poste, ni devas forigi O₂(g):
Por tio, ni uzas reakcion (1):
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ
Anstataŭe, ni bezonas, ke 2NO estu generita. Ĉi tiu reakcio restas la sama.
4. Kalkulu la entalpion por H₂O(g):
Aldonu la inversan reakcion (3) tri fojojn en la ekvacion:
3[H₂O(g) → H₂(g) + 1/2O₂(g), ΔH = +242 kJ]
Fariĝi:
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 kJ
5. Kombinu kaj balancu la ekvaciojn:
\[
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ
+
2NO(g) + 3 H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 kJ
+
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 kJ
\]
Sumigante ĉi tiujn reakciojn, ni povas ignori la komponantojn aperantajn ambaŭflanke kaj kalkuli la totalan entalpion.
6. Kalkulu la totalan entalpion:
\[
N₂(g) + 3 H₂O(g) – 3H₂(g) – 3/2 O₂(g) → 2NH₃(g) + O₂(g) – O₂(g) \rightarrow N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
\]
Totala entalpio:
\[
ΔH_{totale} = 180 + 904 + 726 = 1810 kJ/mol
\]
Do, ΔH por la reakcio N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) estas +1810kJ. Ĉar ni volas ricevi la entalpion liberigitan (eksoterman), ni faras la valoron de la produkto negativa:
\[
ΔH_{totale} = -46 kJ/mol
\]
Fermo
Ĉi tiu artikolo diskutas ekzemplajn problemojn, kiuj aplikas la leĝon de Hess por kalkuli la entalpian ŝanĝon de reakcio. Komprenante la teorian bazon kaj aplikante la paŝojn en la ekzemplaj problemoj, oni esperas, ke legantoj pli facile komprenos ĉi tiun koncepton kaj povos apliki ĝin al diversaj situacioj implikantaj termokemiajn kalkulojn. La leĝo de Hess estas grava ne nur en akademia kemio, sed ankaŭ utila en esplorado pri industria kemio kaj diversaj aliaj aplikoj en scienco kaj teknologio.
