Entalpia eta entalpia-aldaketak eztabaidatzen dituzten galdera-adibideak
Entalpia termodinamika kimikoan kontzeptu gakoa da, maiz agertzen dena kimikako hainbat gaitan, erreakzio kimikoetatik hasi eta fase-aldaketetaraino. Artikulu honetan, hainbat arazo-adibide aztertuko ditugu eta entalpia eta entalpia-aldaketak aztertuko ditugu kontzeptua hobeto ulertzen laguntzeko.
Entalpia ulertzea
Entalpia (H) sistema termodinamiko bateko energia kopuru osoa da. Ez du soilik partikuletan gordetako barne-energia barne hartzen, baita presio-ingurune jakin batean partikulentzako espazioa sortzeko behar den energia ere. Entalpia jouleetan (J) neurtzen da Nazioarteko Sisteman (SI).
Matematikoki, entalpia honela definitzen da:
\[ H = U + PV \]
Non:
– \(H\) entalpia da
– \(U\) barne-energia da
– \(P\) presioa da
– \(V\) bolumena da
Entalpia aldaketa
Entalpia-aldaketa (\( \Delta H \)) erreakzio kimiko edo prozesu fisiko bat gertatzen denean gertatzen da. Entalpia-aldaketa hau sistema batek presio konstantean askatzen edo xurgatzen duen bero-kantitate gisa defini daiteke. Matematikoki:
\[ \Delta H = H_{\text{produktua}} – H_{\text{erreaktibo}} \]
Erreakzio exotermikoak ingurunera beroa askatzen duten erreakzioak dira, eta erreakzio hauetan, ΔH negatiboa da. Erreakzio endotermikoa, berriz, ingurunetik beroa xurgatzen duen erreakzioa da, eta erreakzio honetan, ΔH positiboa da.
Galdera eta eztabaida adibideak
1. galderaren adibidea: Errekuntza-entalpiaren aldaketa
Galdera:
Jakina da metano mol 1aren (\(CH_4\)) errekuntza osoak karbono dioxidoa (\(CO_2\)) eta ura (\(H_2O\)) sortzen dituela. Formazio-entalpia datuak hauek dira:
– (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)
Kalkulatu errekuntza-erreakzioen entalpia-aldaketa (\( \Delta H \))
Eztabaida:
Metanoaren errekuntza-erreakzioa hau da:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \rightarrow CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Erreakzioaren entalpia-aldaketa (\( \Delta H \)) eraketa-entalpia erabiliz kalkula daiteke:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{produktuak} – \Sigma \Delta H_f \text{erreaktiboak} \]
Produktua:
ΔH_f (CO_2 (g)) = -393.5 kJ/mol
ΔH_f (H_2O (l)) = -285.8 kJ/mol
Produktuen entalpia osoa:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2 \times (-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Erreaktiboak:
ΔH_f (CH_4 (g)) = -74.8 kJ/mol
ΔH_f (O_2 (g)) = 0 kJ/mol
(Oxigenoak bere egoera estandarrean zero eraketa-entalpia du.)
Erreaktiboen entalpia osoa:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2 \text(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Beraz, entalpiaren aldaketa (\( \Delta H \)) hau da:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
ΔH = -890.3 kJ/mol
Beraz, metano mol 1aren errekuntzarako entalpia aldaketa \(-890.3 \text{kJ/mol}\) da.
2. galderaren adibidea: Entalpia aldaketak prozesu fisikoetan
Galdera:
Kalkulatu entalpia-aldaketa 50 gramo izotz (\(H_2O_{(s)}\)) 0 °C-tan uretan (\(H_2O_{(l)}\)) urtzen direnean. Jakina da izotzaren urtze-beroa (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) 6.01 kJ/mol dela eta uraren masa molarra 18 g/mol dela.
Eztabaida:
Lehen urratsa izotz mol kopurua kalkulatzea da.
\[ \text{Izotz molak} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \gutxi gorabehera 2.78 \text{mol} \]
Ondoren, izotza urtzeko entalpia-aldaketa kalkulatuko dugu:
\[ ΔH = n ΔH_{\text{fus}} \]
ΔH = 2.78 mol = 6.01 kJ/mol
\[ \Delta H \gutxi gorabehera 16.7 \text{kJ} \]
Beraz, 50 gramo izotz 0 °C-tan urtzean entalpia aldaketa 16.7 kJ ingurukoa da. Prozesu endotermikoa da, izotzak beroa xurgatzen baitu ur bihurtzeko.
3. adibidea: Hess erreakzioa
Galdera:
Erabili Hess-en legea hurrengo erreakzioaren entalpia-aldaketa zehazteko:
\[ 2 C(grafito) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Hainbat erreakzio ezagutzen dira dagokien entalpia-aldaketarekin:
1. (C(grafitoa) + O_2(g) CO_2(g), ΔH = -393.5 kJ)
2. (H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ})
3. (2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) = 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), ΔH = -3119.6 kJ)
Eztabaida:
Erreakzioaren entalpia-aldaketa (\( \Delta H \)) kalkulatzeko, erreakzio batzuk alderantzikatu eta biderkatu behar ditugu helburuko erreakzioarekin bat etor daitezen.
Urratsak:
1. Aldatu erreakzioa \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Alderantzizko eta zatitzeko erreakzioak:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \rightarrow 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Erreakzioa \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafito) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \time -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Erreakzioa \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \rightarrow 6H_2O(l), \Delta H = 6 \times -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Dena batuz, hau lortzen dugu:
\[2C(grafitoa) + 3H_2(g) \rightarrow C_2H_6\]
ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ
Beraz, 2 mol grafito eta 3 mol \(H_2\)-ren eta \(C_2H_6(g)\)-ren arteko erreakzioaren entalpia-aldaketa -1729 kJ da.
Beraz, entalpiaren kontzeptua eta erreakzio mota desberdinetan duen aplikazioa ulertzeak energiak aldaketa kimiko eta fisikoetan nola parte hartzen duen ulertzen laguntzen du. Goiko problemak curriculumean kontzeptu horien ulermena indartzeko maiz erabiltzen diren adibide batzuk dira.
