Esimerkkikysymyksiä entalpiasta ja entalpian muutoksista
Entalpia on kemiallisen termodynamiikan keskeinen käsite, jota esiintyy usein useissa kemian aiheissa, kemiallisista reaktioista faasimuutoksiin. Tässä artikkelissa tarkastelemme useita esimerkkiongelmia ja keskustelemme entalpiasta ja entalpiamuutoksista ymmärtääksemme käsitettä paremmin.
Entalpian ymmärtäminen
Entalpia (H) on termodynaamisen järjestelmän kokonaisenergiamäärä. Se sisältää paitsi hiukkasiin varastoituneen sisäisen energian myös energian, joka tarvitaan hiukkasille tilan luomiseksi tietyssä paineympäristössä. Entalpia mitataan jouleina (J) kansainvälisessä SI-järjestelmässä.
Matemaattisesti entalpia määritellään seuraavasti:
\[ H = U + PV \]
Jossa:
– \(H \) on entalpia
– \(U \) on sisäinen energia
– \(P \) on paine
– \(V \) on tilavuus
Entalpian muutos
Entalpian muutos (\( \DeltaH \)) tapahtuu, kun kemiallinen reaktio tai fysikaalinen prosessi tapahtuu. Tämä entalpian muutos voidaan määritellä järjestelmän vapauttaman tai absorboiman lämmön määräksi vakiopaineessa. Matemaattisesti:
\[ \Delta H = H_{\text{tuote}} – H_{\text{reaktantti}} \]
Eksotermiset reaktiot ovat reaktioita, jotka vapauttavat lämpöä ympäristöön, ja näissä reaktioissa \( \ΔH \) on negatiivinen. Endoterminen reaktio puolestaan on reaktio, joka absorboi lämpöä ympäristöstä, ja tässä reaktiossa \( \ΔH \) on positiivinen.
Katso myös Soal ja Pembahasan
Esimerkkikysymys 1: Palamisentalpian muutos
Kysymys:
Tiedetään, että yhden moolin metaanin (\(CH_4\)) täydellinen palaminen tuottaa hiilidioksidia (\(CO_2\)) ja vettä (\(H_2O\)). Muodostumistietojen entalpia on seuraava:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Laske palamisreaktion entalpian muutos (\( \DeltaH \)).
Keskustelu:
Metaanin palamisreaktio on:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \nuoli oikealle CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Reaktion entalpian muutos (\( \Delta H \)) voidaan laskea muodostumisentalpian avulla:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{tuotteet} – \Sigma \Delta H_f \text{reagenssit} \]
Tuote:
\[ \Delta H_f (CO_2 (g)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (H_2O (l)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Tuotteiden kokonaisentalpia:
\[ (-393.5 \kJ/mol}) + 2 \x(-285.8 \kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \kJ/mol} \]
Reagenssit:
\[ \Delta H_f (CH_4 (g)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(Hapen muodostumisentalpia normaalitilassa on nolla.)
Reagoivien aineiden kokonaisentalpia:
\[ (-74.8 \kJ/mol}) + 2 \times(0 \kJ/mol}) = -74.8 \kJ/mol} \]
Joten entalpian muutos (\( \Delta H \)) on:
\[ \Delta H = -965.1 \teksti{kJ/mol} – (-74.8 \teksti{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Delta H = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Joten yhden metaanimoolin palamisen entalpian muutos on \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Esimerkkikysymys 2: Entalpian muutokset fysikaalisissa prosesseissa
Kysymys:
Laske entalpian muutos, kun 50 grammaa 0 °C:ssa olevaa jäätä (\(H_2O_{(s)}\)) sulatetaan vedeksi (\(H_2O_{(l)}\)) 0 °C:ssa. On tunnettua, että jään sulamislämpö (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) on 6.01 kJ/mol ja veden moolimassa on 18 g/mol.
Keskustelu:
Ensimmäinen vaihe on laskea jäämoolien lukumäärä.
\[ \text{Jäämoolia} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \noin 2.78 \text{mol} \]
Seuraavaksi laskemme jään sulamisen entalpian muutoksen:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \Delta H = 2.78 \mol} \cdot 6.01 \kJ/mol} \]
\[ \Delta H \noin 16.7 \text{kJ} \]
Joten entalpian muutos, kun sulatetaan 50 grammaa jäätä 0 °C:ssa, on noin 16.7 kJ. Tämä on endoterminen prosessi, koska jää imee lämpöä ja muuttuu vedeksi.
Esimerkki 3: Hessin reaktio
Kysymys:
Käytä Hessin lakia määrittääksesi seuraavan reaktion entalpian muutoksen:
\[ 2 C(grafiitti) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Useita reaktioita ja niiden entalpiamuutoksia tunnetaan:
1. \(C(grafiitti) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \(H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \(2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
Keskustelu:
Reaktion entalpian muutoksen (\( \DeltaH \)) laskemiseksi meidän on käännettävä ja kerrottava joitakin reaktioita vastaamaan kohdereaktiota.
Langkah-langkah:
1. Muuta reaktiota \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \nuoli oikealle 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Käänteiset ja jaolliset reaktiot:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \nuoli oikealle 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \teksti{kJ} \]
2. Reaktio \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafiitti) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Reaktio \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \nuoli oikealle 6H_2O(l), \Delta H = 6 \ kertaa -285.8 = -1714.8 \teksti{kJ} \]
Yhdistämällä kaiken saamme:
\[2C(grafiitti) + 3H_2(g) \nuoli oikealle C_2H_6\]
\[ \Delta H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \text{kJ}\]
Joten 2 moolin grafiittia ja 3 moolin \(H_2\) -yhdisteen reaktion entalpian muutos \(C_2H_6(g)\)-yhdisteeksi on -1729 kJ.
Näin ollen entalpian käsitteen ja sen soveltamisen ymmärtäminen erilaisiin reaktioihin antaa käsityksen siitä, miten energia osallistuu kemiallisiin ja fysikaalisiin muutoksiin. Yllä olevat ongelmat ovat esimerkkejä, joita käytetään usein opetussuunnitelmassa näiden käsitteiden ymmärtämisen vahvistamiseksi.
