Dæmi um spurningar sem fjalla um breytingar á entalpíu í staðalskilyrðum
Pendahuluan
Entalpíubreyting er grundvallarhugtak í varmafræði sem gegnir lykilhlutverki í ýmsum efnaferlum. Í þessari grein munum við ræða ítarlega hvernig á að reikna út og skilja entalpíubreytingar við staðlaðar aðstæður með nokkrum dæmum og ítarlegum umræðum. Þessi grein mun nýtast nemendum, háskólanemum og öllum sem stunda efnafræðinám til að öðlast betri skilning á þessu efni.
Að skilja entalpíu og breytingar hennar
Enthalpía (H) er heildarorka kerfis, sem samanstendur af innri orku og orku sem tengist þrýstingi og rúmmáli. Í tilviki efnahvarfa höfum við oft áhuga á entalpíubreytingunni (ΔH), sem endurspeglar heildarorkubreytinguna meðan á efnahvörfum stendur við fastan þrýsting.
Entalpíubreytingin við staðlaðar aðstæður (ΔH⁰) er entalpíubreytingin þegar öll hvarfefni og afurðir eru í staðalástandi sínu, það er við þrýsting upp á 1 atm og hitastig venjulega 25°C (298 K).
Dæmi um spurningar og umræður
Spurning 1: Metanbrennsla
Spurning: Reiknaðu staðlaða entalpíubreytinguna (ΔH⁰) fyrir bruna eins móls af metani (CH₄) út frá eftirfarandi jöfnu:
\[ CH_4(g) + 2O_2(g) \hægriör CO_2(g) + 2H_2O(l) \]
Það er vitað:
– ΔH⁰f \(CH_4(g)\) = -74.8 kJ/mól
– ΔH⁰f \(CO₂(g)\) = -393.5 kJ/mól
– ΔH⁰f \(H_2O(l)\) = -285.8 kJ/mól
Umræða:
Hægt er að reikna út staðlaða entalpíubreytingu fyrir efnahvörf með lögmáli Hess með eftirfarandi formúlu:
\[ \DeltaH⁰ = ∑ ΔH⁰f(afurð) – ∑ ΔH⁰f(hvarfefni) \]
Fyrst skal bera kennsl á staðlaða myndunarentalpíu fyrir hvert efni í efnahvarfinu:
– \( ΔH⁰f_{CH_4(g)} = -74.8 \) kJ/mól
– \( ΔH⁰f_{CO_2(g)} = -393.5 \) kJ/mól
– \( ΔH⁰f_{H_2O(l)} = -285.8 \) kJ/mól (×2 fyrir tvö mól \(H_2O\))
Reiknið síðan út summu myndunarentalpíunnar fyrir afurðirnar og hvarfefnin:
\[ ∑ ΔH⁰f(margfeldi) = [-393.5] + [2(-285.8)]
= -393.5 + (-571.6)
= -965.1 kJ/mól
\[ ∑ ΔH⁰f(hvarfefni) = [-74.8] + [0] \]
(Öll frumefni í grunnformi hafa staðlaða myndunarentalpíu upp á 0 kJ/mól)
Reiknið síðan út staðlaða entalpíubreytinguna (ΔH⁰):
\[ ΔH⁰ = -965.1 – (-74.8)
= -965.1 + 74.8
= -890.3 kJ/mól
Þannig er staðal entalpíubreytingin fyrir bruna eins móls af metani -890.3 kJ/mól.
Spurning 2: Myndunarviðbrögð vatns
Spurning: Reiknaðu staðlaða entalpíubreytinguna (ΔH⁰) fyrir myndun vatns úr vetni og súrefni út frá eftirfarandi jöfnu:
\[ 2H_2(g) + O_2(g) \hægriör 2H_2O(l) \]
Það er vitað:
– ΔH⁰f \(H_2O(l)\) = -285.8 kJ/mól
Umræða:
Við þurfum að finna staðlaða entalpíubreytinguna fyrir efnahvarf frá upphafsefnunum til þeirra afurða sem við viljum. Með því að nota staðlaða myndunarentalpíu:
\[ ΔH⁰ = ∑ ΔH⁰f(afurð) – ∑ ΔH⁰f(hvarfefni) \]
Reiknaðu entalpíu myndunar afurða og hvarfefna:
\[
\begin{samræma}
∑ ΔH⁰f(margfeldi) & = [2(-285.8)] \\
∑ ΔH⁰f(afurð) & = -571.6 \text{ kJ/mól}
\end{align}
\]
\[
ΔH⁰f(H_²(g)) = 0 \text{ kJ/mól} \\
ΔH⁰f(O_2(g)) = 0 \text{ kJ/mól} \\
∑ ΔH⁰f(hvarfefni) = [2(0)] + [0] = 0 \text{ kJ/mól}
\]
Reiknið síðan út staðlaða entalpíubreytinguna (ΔH⁰):
[ΔH⁰ = -571.6 kJ/mól]
Þannig er staðlaða entalpíubreytingin fyrir myndun vatns -571.6 kJ/mól.
Spurning 3: Niðurbrot köfnunarefnisdíoxíðs
Spurning: Reiknið út staðlaða entalpíubreytinguna (ΔH⁰) fyrir niðurbrot köfnunarefnisdíoxíðs (\(NO_2\)) í köfnunarefnismónoxíðgas (\(NO\)) og súrefnisgas (O₂) út frá eftirfarandi jöfnu:
\[ 2NO_2(g) \hægriör 2NO(g) + O_2(g) \]
Það er vitað:
– ΔH⁰f \(NO₂(g)\) = 33.2 kJ/mól
– ΔH⁰f \(NO(g)\) = 90.3 kJ/mól
Umræða:
Líkar útreikningar:
\[ ΔH⁰ = ∑ ΔH⁰f(afurð) – ∑ ΔH⁰f(hvarfefni) \]
Reiknaðu myndunarentalpíu efnisins:
\[
\begin{samræma}
∑ ΔH⁰f(afurð) & = [2( ΔH⁰f_{NO(g)} )] + [ ΔH⁰f_{O_2(g)}] \\
& = [2(90.3)] + [0] \\
& = 180.6 \text{ kJ/mól}
\end{align}
\]
Reiknaðu myndunarentalpíu hvarfefnanna:
\[
\begin{samræma}
∑ ΔH⁰f(hvarfefni) & = [2(ΔH⁰f_{NO_2(g)})] \\
& = [2(33.2)] \\
& = 66.4 \text{ kJ/mól}
\end{align}
\]
Reiknið út staðlaða entalpíubreytinguna (ΔH⁰):
[ΔH⁰ = 180.6 – 66.4 = 114.2 kJ/mól]
Þannig er staðal entalpíubreytingin fyrir niðurbrot köfnunarefnisdíoxíðs 114.2 kJ/mól.
Niðurstaða
Útreikningur á staðlaðri entalpíubreytingu (ΔH⁰) er mikilvæg tækni í varmaefnafræði. Með því að skilja hvernig á að nota staðlaðar myndunarentalpíur og beita lögmáli Hess getum við ákvarðað orkubreytingar í ýmsum efnahvörfum. Með dæmunum hér að ofan er gert ráð fyrir að lesendur öðlist innsýn og færni í að reikna entalpíubreytingar fyrir ýmis efnahvörf. Þessi þekking er mikilvæg ekki aðeins fyrir fræðilegt nám heldur einnig fyrir ýmsar iðnaðarnotkunir og vísindarannsóknir.
