Näidisküsimused entalpia ja entalpia muutuste kohta
Entalpia on keemilise termodünaamika võtmemõiste, mida sageli kohtab erinevates keemiateemades, alates keemilistest reaktsioonidest kuni faasimuutusteni. Selles artiklis vaatame üle mitu näidisülesannet ja arutame entalpiat ning entalpia muutusi, et paremini mõista kontseptsiooni.
Entalpia mõistmine
Entalpia (H) on termodünaamilise süsteemi koguenergia hulk. See hõlmab lisaks osakestes talletatud siseenergiale ka energiat, mis on vajalik osakeste jaoks ruumi loomiseks antud rõhukeskkonnas. Entalpiat mõõdetakse rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) džaulides (J).
Matemaatiliselt defineeritakse entalpia järgmiselt:
\[ H = U + PV \]
Kus:
– \(H \) on entalpia
– \(U \) on siseenergia
– \(P \) on rõhk
– \(V \) on ruumala
Entalpia muutus
Entalpia muutus (\( \Delta H \)) toimub keemilise reaktsiooni või füüsikalise protsessi toimumisel. Seda entalpia muutust saab defineerida kui soojushulka, mille süsteem konstantsel rõhul eraldab või neelab. Matemaatiliselt:
\[ \Delta H = H_{\text{produkt}} – H_{\text{reagent}} \]
Eksotermilised reaktsioonid on reaktsioonid, mille käigus vabaneb keskkonda soojust ja nendes reaktsioonides on \( \ΔH \) negatiivne. Endotermiline reaktsioon on reaktsioon, mis neelab keskkonnast soojust ja selles reaktsioonis on \( \ΔH \) positiivne väärtus.
Näidisküsimused ja arutelu
Näidisküsimus 1: Põlemise entalpia muutus
Küsimus:
On teada, et 1 mooli metaani (\(CH_4\)) täielikul põlemisel tekivad süsinikdioksiid (\(CO_2\)) ja vesi (\(H_2O\)). Tekkimise entalpia andmed on järgmised:
– \(ΔH_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \(ΔH_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \(ΔH_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Arvutage põlemisreaktsiooni entalpia muutus (\( \DeltaH \)).
Arutelu:
Metaani põlemisreaktsioon on järgmine:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \paremnool CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Reaktsiooni entalpia muutust (\( \DeltaH \)) saab arvutada moodustumisentalpia abil:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \tekst{saadused} – \Sigma \Delta H_f \tekst{reagendid} \]
Toode:
\[ \ΔH_f (CO_2 (g)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Δ H_f (H_2O (l)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Toodete koguentalpia:
\[(-393.5 \kJ/mol}) + 2 korda (-285.8 \kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \kJ/mol}]
Reagendid:
\[ \Δ H_f (CH_4 (g)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \ΔH_f(O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(Hapniku tekkeentalpia standardolekus on null.)
Reagentide koguentalpia:
\[ (-74.8 \kJ/mol}) + 2 korda (0 \kJ/mol}) = -74.8 \kJ/mol} \]
Seega entalpia muutus (\( \Delta H \)) on:
\[ \Delta H = -965.1 \tekst{kJ/mol} – (-74.8 \tekst{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Delta H = -890.3 \kJ/mol} \]
Seega on 1 mooli metaani põlemisel tekkiv entalpia muutus \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Näidisküsimus 2: Entalpia muutused füüsikalistes protsessides
Küsimus:
Arvutage entalpia muutus, kui 50 grammi jääd (\(H_2O_{(s)}\)) temperatuuril 0 °C sulatatakse veeks (\(H_2O_{(l)}\)) temperatuuril 0 °C. On teada, et jää sulamissoojus (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) on 6.01 kJ/mol ja vee molaarmass on 18 g/mol.
Arutelu:
Esimene samm on jää moolide arvu arvutamine.
\[ \text{Jää moolid} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \umbes 2.78 \text{mol} \]
Seejärel arvutame jää sulamiseks vajaliku entalpia muutuse:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \ΔH = 2.78 \mol \cdot 6.01 \kJ/mol} \]
\[ \Delta H \umbes 16.7 \kJ} \]
Seega on entalpia muutus 50 grammi jää sulatamisel temperatuuril 0 °C umbes 16.7 kJ. See on endotermiline protsess, sest jää neelab soojust ja muutub veeks.
Näide 3: Hessi reaktsioon
Küsimus:
Kasutage Hessi seadust järgmise reaktsiooni entalpia muutuse määramiseks:
\[2 C(grafiit) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Tuntakse mitmeid reaktsioone koos vastavate entalpia muutustega:
1. \(C(grafiit) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \ΔH = -393.5 \text{kJ} \)
2. \(H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \(2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g) + 6H_2O(l), \ΔH = -3119.6 \text{kJ} \)
Arutelu:
Reaktsiooni entalpia muutuse (\( \DeltaH \)) arvutamiseks peame mõned reaktsioonid tagurpidi pöörama ja korrutama, et need vastaksid sihtreaktsioonile.
Sammud:
1. Muuda reaktsiooni \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \paremnool 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Pöörd- ja jagamisreaktsioonid:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \paremnool 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reaktsioon \(C \rightarrow CO_2\):
\[4C(grafiit) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \ΔH = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reaktsioon \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \nool paremale 6H_2O(l), \Delta H = 6 \ korda -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Kõike seda kokku pannes saame:
\[2C (grafiit) + 3H_2 (g) \paremnool C_2H_6\]
\[ \Delta H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \kJ}]
Seega on 2 mooli grafiidi ja 3 mooli \(H_2\) reaktsiooni entalpia muutus \(C_2H_6(g)\)-ks -1729 kJ.
Seega annab entalpia mõiste ja selle rakendamise mõistmine erinevat tüüpi reaktsioonide puhul ülevaate sellest, kuidas energia on seotud keemiliste ja füüsikaliste muutustega. Ülaltoodud probleemid on mõned näited, mida õppekavas sageli kasutatakse nende mõistete mõistmise kinnistamiseks.
