Näidisküsimused ja termokeemiliste võrrandite arutelu
Termokeemia on keemia haru, mis uurib keemiliste reaktsioonide, eriti soojusülekande ajal toimuvaid energiamuutusi. Termokeemia hõlmab selliseid mõisteid nagu entalpia, entroopia ja Gibbsi vabaenergia, mida kasutatakse reaktsioonide suuna ja spontaansuse ennustamiseks. Selles artiklis uurime mitmeid näidisprobleeme ja arutame termokeemilisi võrrandeid.
Termokeemia põhimõisted
Enne näidisküsimuste ja nende arutamise juurde asumist on oluline teada mõningaid termokeemia põhimõisteid:
1. Entalpia (H): Entalpia on süsteemi energiavorm, mida mõõdetakse konstantse rõhu tingimustes. Entalpia muutust (\( \DeltaH \)) saab väljendada järgmiselt:
\[ \Delta H = H_{produkt} – H_{reagent} \]
2. Endotermilised ja eksotermilised reaktsioonid:
– Eksotermilised reaktsioonid on reaktsioonid, mille käigus vabaneb soojust keskkonda (\( \ΔH < 0 \)). - Endotermilised reaktsioonid on reaktsioonid, mille käigus neeldub keskkonnast soojust (\( \ΔH > 0 \)).
3. Hessi seadus: Hessi seadus väidab, et keemilise reaktsiooni koguentalpia muutus on sama, olenemata sellest, kas reaktsioon toimub ühes või mitmes etapis. Seda saab sõnastada järgmiselt:
\[ \Delta H_{kokku} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + … + \Delta H_n \]
Näidisküsimused ja arutelu
Näidisküsimus 1: Entalpia muutuse arvutamine
Arvestades järgmisi reaktsioone:
\[ 2H_2(g) + O_2(g) \paremnool 2H_2O(l) \]
Kui on teada, et vee moodustumise entalpia muutus (\( \ΔH_f \)) on -285.8 kJ/mol, siis arvuta reaktsiooni koguentalpia muutus.
Arutelu:
Reaktsiooni entalpia muutust (\( \Delta H_{reaction} \)) saab arvutada saaduste ja reagentide moodustumise entalpia muutuse abil.
On teada:
– [ΔH₂O(l)) = -285.8 kJ/mol]
Kuna tekib kaks mooli vett, on reaktsiooni koguentalpia muutus:
\[ \ΔH_{reaktsioon} = 2(-285.8 \text{ kJ/mol}) \]
\[ \Delta H_{reaktsioon} = -571.6 \text{ kJ} \]
Seega on selle reaktsiooni koguentalpia muutus -571.6 kJ. See reaktsioon on eksotermiline, kuna \(\ΔH \) on negatiivne.
Näidisküsimus 2: Hessi seaduse kasutamine
Arvestades järgmisi reaktsioone:
\[ C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \hspace{2mm} \text{(1)} \]
\[ C(s) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO(g) \hspace{2mm} \text{(2)} \]
\[CO(g) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \hspace{2mm} \text{(3)} \]
On teada:
– \(\Delta H_1 = -393.5 \kJ})
– \(\Delta H_2 = -110.5 \kJ})
Arvutage reaktsiooni (3) entalpia muutus.
Arutelu:
Kasutage Hessi seadust reaktsiooni (3) entalpia muutuse määramiseks. Pange tähele, et reaktsioon (3) võib koosneda reaktsioonidest (1) ja (2):
\[ \text{Reaktsioon } (3): CO(g) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \]
Hessi seaduse kasutamiseks pöörake reaktsioon (2) ümber:
\[CO_2(g) \rightarrow C(s) + O_2(g) \hspace{2mm} \text{(inverse 1)}, \Delta H = +393.5 \text{ kJ} \]
\[ C(s) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO(g) \hspace{2mm} \text{(2)}, \Delta H = -110.5 \text{kJ} \]
Nüüd liida reaktsioonid kokku:
\[CO_2(g) \rightarrow C(s) + O_2(g) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO(g) + 1/2 O_2(g) \]
\[CO_2(g) \rightarrow C(s) + O_2(g) \rightarrow CO(g) + 1/2 O_2(g) \]
Liida entalpia muutused kokku:
\[ \ΔH_{reaktsioon} = 393.5 – 110.5 \text{ kJ}\]
\[ \Delta H_{reaktsioon} = 283.0 \text{ kJ}\]
Seega reaktsiooni \(CO(g) + 1/2 O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \) puhul on entalpia muutus -283.0 kJ.
Näidisküsimus 3: Kalorimeetri reaktsioon
Antud on 100 ml 1.0 M vesinikkloriidhapet (HCl) ja 100 ml 1.0 M naatriumhüdroksiidi (NaOH). Kui need kaks kalorimeetris segada, tõuseb temperatuur 25.0 °C-lt 31.0 °C-ni. Kui vesilahuse soojusmahtuvus on 4.18 J/g°C ja lahuse tihedus on 1.0 g/ml, arvuta neutralisatsiooni entalpia muutus.
Arutelu:
Sammud:
1. Arvutage lahuse mass:
\[ \text{Kogumaht} = 100 \text{ ml} + 100 \text{ ml} = 200 \text{ ml} \]
\[ \text{Mass} = 200 \text{ g} \] (kuna lahuse tihedus on 1 g/ml)
2. Arvutage temperatuuri muutus:
\[ \Delta T = 31.0 \text{ °C} – 25.0 \text{ °C} = 6.0 \text{ °C} \]
3. Arvutage lahuse poolt neeldunud energia:
\[q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
\[q = 200 \text{ g} \times 4.18 \text{ J/g°C} \times 6.0 \text{ °C} \]
\[q = 5016 \tekst{ J} \]
\[ q = 5.016 \tekst{ kJ} \]
4. Arvutage entalpia muutus:
\[ \Delta H = \frac{q_{\text{solution}}}{\text{mol HCl}} \]
Arvestades, et HCl ja NaOH moolid on samad:
\[ \text{Mooli HCl-i} = 1.0 \text{ M} \times 0.100 \text{ L} = 0.100 \text{ mol} \]
\[ \Delta H = \frac{5.016 \text{ kJ}}{0.100 \text{ mol}} \]
\[ \Delta H = -50.16 \tekst{ kJ/mol} \]
Seega on HCl ja NaOH neutraliseerimise entalpia muutus -50.16 kJ/mol, mis näitab eksotermilist reaktsiooni.
Järeldus
Termokeemia on keemia oluline haru, mis aitab meil mõista, kuidas energia keemilistes reaktsioonides muundub ja muundub. Mõistes põhimõisteid nagu entalpia ja Hessi seadus ning oskades neid praktilistes probleemides rakendada, saame ennustada energia muutusi, mis toimuvad erinevates keemilistes reaktsioonides. See artikkel on esitanud mitu näidisülesannet, mis loodetavasti aitavad teil paremini mõista termokeemilisi võrrandeid.
