Termokeemia aruteluküsimuste näide
Pendahuluan
Termokeemia on keemia haru, mis uurib keemiliste reaktsioonide ja energia muutuste vahelist seost, eriti soojuse kujul. See on oluline teema füüsikalises keemias, sest see aitab meil mõista, kuidas energia keemiliste reaktsioonide käigus üle kandub ja muundub. Selles artiklis käsitleme mitmeid termokeemia näidisülesandeid, mis aitavad neid mõisteid selgitada.
Näidisküsimus 1: Põlemise entalpia muutus
Küsimus:
Etanooli (C2H5OH) põlemisentalpia (ΔHc) on -1367 kJ/mol. Määrake energia hulk, mis vabaneb 2 mooli etanooli täielikul põlemisel!
Arutelu:
Põlemise entalpia muutus (ΔHc) on energia, mis vabaneb ühe mooli aine täielikul põlemisel hapniku keskkonnas. Etanooli puhul on ΔHc = -1367 kJ/mol.
Kui põletada 2 mooli etanooli, vabaneb energia hulk:
\[ \text{Energia vabanemine} = 2 \, \text{mol} \times (-1367 \, \text{kJ/mol}) \]
\[ \text{Lahkumisenergia} = -2734 \, \text{kJ} \]
Seega, kui 2 mooli etanooli on täielikult põlenud, vabaneb energia -2734 kJ.
Näidisküsimus 2: Reaktsioonientalpia arvutamine moodustumisentalpia andmete põhjal
Küsimus:
Veeauru moodustumise reaktsioonientalpia arvutamiseks kasutage järgmisi standardseid moodustumisentalpia andmeid:
– \(\Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2(g)) = 0 \text{kJ/mol}\)
– \(\Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{O}_2(g)) = 0 \text{kJ/mol}\)
– \(Delta H_{f}^{circ}(\(H}_2\(g)) = -241.8 \, \(kJ/mol))
Reaktsioon:
\[ \tekst{H}_2(g) + \frac{1}{2}\tekst{O}_2(g) \rightarrow \tekst{H}_2\tekst{O}(g) \]
Arutelu:
Reaktsiooni entalpiat (\(\ΔH_{\text{rxn}}\)) saab arvutada standardse moodustumise entalpia (\(\ΔH_{\text{f}}^{\circ}\)) abil järgmise valemiga:
\[ \ΔH_{\text{rxn}} = \Sigma \ΔH_{\text{f}}^{\circ} \text{produkt} – \Sigma \ΔH_{\text{f}}^{\circ} \text{reagendid} \]
Selle reaktsiooni jaoks:
[ΔH_{rxn} = ΔH_{f}^{circ}(H}_2\O(g)) – [ΔH_{f}^{circ}(H}_2(g)) + η(1}{2} ΔH_{f}^{circ}(O}_2(g))]]
Sisestage moodustumise entalpia väärtus:
\[ΔH_{\text{rxn}} = -241.8 \, \text{kJ/mol} – \left[ 0 + \frac{1}{2} \times 0 \right] \]
\[ \ΔH_{\text{rxn}} = -241.8 \text{kJ/mol} \]
Seega on veeauru moodustumise reaktsiooni entalpia -241.8 kJ/mol.
Näidisküsimus 3: Hessi seadus
Küsimus:
Määrake järgmise reaktsiooni entalpia muutus (\(\Delta H\)):
\[ \text{C(s)} + \frac{1}{2} \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} \]
Kasutage järgmisi andmeid:
1. \(\text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \text{kJ}\)
2. \(\CO(g)} + \frac{1}{2}\O}_2(g) \rightarrow \CO}_2(g) \, \Delta H = -283.0 \, \kJ}\)
Arutelu:
Kasutage Hessi seadust, mis ütleb, et kui keemilist reaktsiooni saab väljendada mitme teise reaktsiooni summana, siis on kogu reaktsiooni entalpia muutus nende reaktsioonide entalpia muutuste summa.
1. samm: Kirjutage reaktsioon, mida tuleb sihtreaktsiooniga vastavusse viimiseks ümber pöörata või muuta:
– Reaktsioon (1): \(\text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \ΔH = -393.5 \, \text{kJ}\)
– Reaktsioon (2): \(\text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \Delta H = -283.0 \, \text{kJ}\)
2. samm: Pööra reaktsioon (2) tagasi ja muuda \(\Delta H\) märki:
\[ \text{CO}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \, \Delta H = 283.0 \, \text{kJ} \]
3. samm: Lisage reaktsioon (1) ja pöördreaktsioon (2):
[C(s)} + O_2(g) ∫_2(g), Delta H = -393.5, kJ]
\[ \text{CO}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \, \Delta H = 283.0 \, \text{kJ} \]
4. samm: Lisage kaks reaktsiooni:
[C(s)} + O_2(g) + CO_2(g) paremnool CO_2(g) + CO(g) + 1(2)O_2(g)]
Lihtsustamise tulemuseks on:
\[ \text{C(s)} + \frac{1}{2} \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} \]
Kogu entalpia muutus (\(\Delta H\)):
\[ \Delta H = -393.5 \, \text{kJ} + 283.0 \, \text{kJ} = -110.5 \, \text{kJ} \]
Seega on reaktsiooni entalpia muutus -110.5 kJ.
Näidisküsimus 4: Kalorimeetria
Küsimus:
Kalorimeetria katses kuumutatakse 50 g vett (c = 4.18 J/g°C) temperatuurilt 25°C temperatuurini 75°C. Arvutage vajalik soojushulk (q).
Arutelu:
Vee soojendamiseks vajaliku soojushulga (q) saab arvutada järgmise valemi abil:
\[q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
– m = vee mass = 50 g
– c = erisoojusmaht = 4.18 J/g°C
– \(\Delta T = \) temperatuuri muutus \( = 75 °C – 25 °C = 50 °C \)
\[q = 50 \, \text{g} \times 4.18 \, \text{J/g°C} \times 50°C \]
\[q = 10450 \, \text{J} \]
Seega on 50 g vee kuumutamiseks temperatuurini 25 °C temperatuurini 75 °C vajalik soojushulk 10450 J.
Sulgemine
Ülaltoodud näidisprobleemide arutelu annab detailse ülevaate sellest, kuidas termokeemia kontseptsioone saab rakendada keemiliste reaktsioonide ja energiamuundumistega seotud erinevate probleemide lahendamiseks. Termokeemia on ülioluline erinevates valdkondades, sealhulgas tööstuses, energeetikas ja teadusuuringutes, kuna see võimaldab meil mõista ja manipuleerida keemilistes reaktsioonides toimuvate energiamuundumistega. Termokeemia hea mõistmise abil saame kujundada tõhusamaid protsesse ja arendada uusi, keskkonnasõbralikumaid tehnoloogiaid.
