דוגמה לשאלות דיון תרמוכימיה
פנדהולואן
תרמוכימיה היא ענף בכימיה החוקר את הקשר בין תגובות כימיות לשינויי אנרגיה, במיוחד בצורת חום. זהו נושא חשוב בכימיה פיזיקלית משום שהוא עוזר לנו להבין כיצד אנרגיה מועברת והופכת במהלך תגובות כימיות. במאמר זה נדון בכמה דוגמאות לבעיות תרמוכימיות כדי לסייע בהבהרת מושגים אלה.
שאלה לדוגמה 1: שינוי באנתלפיה של בעירה
שְׁאֵלָה:
אנתלפיית הבעירה (ΔHc) של אתנול (C2H5OH) היא -1367 קילו-ג'אול/מול. קבע את כמות האנרגיה המשתחררת כאשר 2 מולים של אתנול נשרפים לחלוטין!
דִיוּן:
שינוי האנתלפיה של בעירה (ΔHc) הוא האנרגיה המשתחררת כאשר מול אחד של חומר נשרף לחלוטין בחמצן. עבור אתנול, ΔHc = -1367 קילו-ג'אול/מול.
אם נשרפים 2 מולים של אתנול, כמות האנרגיה המשתחררת היא:
שחרור אנרגיה = 2, מול כפול (-1367, קילו-ג'אול/מול)
אנרגיית פריקה = -2734, קילו-ג'אול
לכן, כאשר 2 מולים של אתנול נשרפים לחלוטין, האנרגיה המשתחררת היא -2734 קילו-ג'אול.
שאלה לדוגמה 2: חישוב אנתלפיית תגובה מנתוני אנתלפיית התהוות
שְׁאֵלָה:
השתמש בנתוני האנתלפיה הסטנדרטית הבאים של היווצרות כדי לחשב את אנתלפיית התגובה של היווצרות אדי מים:
– \(\Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2(g)) = 0 \, \text{kJ/mol}\)
– \(\Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{O}_2(g)) = 0 \, \text{kJ/mol}\)
– \(\Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2\text{O}(g)) = -241.8 \, \text{kJ/mol}\)
ריאקסי:
[\text{H}_2(g) + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(g) \]
דִיוּן:
ניתן לחשב את אנתלפיית התגובה (ΔH_rxn) באמצעות אנתלפיית התצורה הסטנדרטית (ΔH_f) עם הנוסחה:
[ ΔH_rxn = ΔH_f^circ} - ΔH_f^circ} - סיגמא ΔH_f^circ}
לתגובה זו:
[ ΔH_rxn = ΔH_f^(H²O(g)) – [ ΔH_f^(H²(g)) + (1}{2 ΔH_f^(O²(g))]
הזן את ערך האנתלפיה של התהוות:
[ΔH_rxn = -241.8, kJ/mol – [0 + \frac{1}{2} \× 0]]
[ΔH_rxn = -241.8, קילו-ג'ול/מול]
אז, אנתלפיית התגובה להיווצרות אדי מים היא -241.8 קילו-ג'אול/מול.
שאלה לדוגמה 3: חוק הס
שְׁאֵלָה:
קבע את שינוי האנתלפיה (ΔH) עבור התגובה הבאה:
[ \text{C(s)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} \]
השתמש בנתונים הבאים:
1. \(\text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \DeltaH = -393.5 \, \text{kJ}\)
2. \(\text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \DeltaH = -283.0 \, \text{kJ}\)
דִיוּן:
השתמש בחוק הס, הקובע שאם תגובה כימית ניתנת לביטוי כסכום של מספר תגובות אחרות, אז שינוי האנטלפיה של התגובה הכוללת הוא סכום שינויי האנטלפיה של תגובות אלו.
שלב 1: רשמו את התגובה שצריך להפוך או לשנות כדי שתתאים לתגובת המטרה:
– תגובה (1): \(\text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, ΔH = -393.5 \, \text{kJ}\)
– תגובה (2): \(\text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, ΔH = -283.0 \, \text{kJ}\)
שלב 2: הפוך את התגובה (2) ושינוי הסימן של \(\Delta H\):
[ CO₂(g) ightarrow CO(g) + 1/2 O₂(g), ΔH = 283.0, kJ
שלב 3: הוספת תגובה (1) והתגובה ההפוכה (2):
[ C(s) + O²(g) CO²(g), ΔH = -393.5, kJ
[ CO₂(g) ightarrow CO(g) + 1/2 O₂(g), ΔH = 283.0, kJ
שלב 4: חברו את שתי התגובות:
[C(s) + O²(g) + CO²(g) ightarrow CO²(g) + CO(g) + frac{1}{2 O²(g)]
פישוט מביא ל:
[ \text{C(s)} + \frac{1}{2} \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} \]
שינוי אנתלפיה כולל (\(\Delta H\)):
[ΔH = -393.5, קילו-ג'ול + 283.0, קילו-ג'ול = -110.5, קילו-ג'ול]
אז, שינוי האנטלפיה עבור התגובה הוא -110.5 קילו-ג'אול.
שאלה לדוגמה 4: קלורימטריה
שְׁאֵלָה:
בניסוי קלורימטריה, 50 גרם מים (c = 4.18 ג'ול/גרם מעלות צלזיוס) מחוממים מ-25 מעלות צלזיוס ל-75 מעלות צלזיוס. חשב את כמות החום (q) הנדרשת.
דִיוּן:
ניתן לחשב את כמות החום (q) הנדרשת לחימום מים באמצעות הנוסחה:
\[ q = m ⋅ c ⋅ ΔT \]
– m = מסת מים = 50 גרם
– c = קיבול חום סגולי = 4.18 ג'אול/גרם מעלות צלזיוס
– \(\DeltaT = \) שינוי בטמפרטורה \( = 75°C – 25°C = 50°C \)
[q = 50, g כפול 4.18, J/g°C כפול 50°C]
\[ q = 10450 \, \text{J} \]
לכן, כמות החום הנדרשת לחימום 50 גרם מים מ-25 מעלות צלזיוס ל-75 מעלות צלזיוס היא 10450 ג'ול.
סְגִירָה
הדיון בבעיות הדוגמה לעיל מספק סקירה מפורטת של האופן שבו ניתן ליישם מושגים תרמוכימיים כדי לפתור בעיות שונות הקשורות לתגובות כימיות וטרנספורמציות אנרגיה. תרמוכימיה היא קריטית בתחומים שונים, כולל תעשייה, אנרגיה ומחקר מדעי, משום שהיא מאפשרת לנו להבין ולתפעל את טרנספורמציות האנרגיה המתרחשות בתגובות כימיות. עם הבנה טובה של תרמוכימיה, נוכל לתכנן תהליכים יעילים יותר ולפתח טכנולוגיות חדשות וידידותיות יותר לסביבה.
