ჰესის კანონის განხილვის კითხვების მაგალითები

ჰესის კანონის განხილვის სამაგალითო კითხვები

პენდაჰულუანი

ჰესის კანონი, რომელსაც სახელი რუსი ქიმიკოსის, ჟერმენ ანრი ჰესის პატივსაცემად დაერქვა, ქიმიური თერმოდინამიკის ერთ-ერთი ფუნდამენტური პრინციპია, რომელიც ქიმიური რეაქციების ენერგიას ეხება. ეს კანონი აცხადებს, რომ ქიმიური რეაქციის დროს წარმოქმნილი ან შთანთქმული სითბოს (ენერგიის) მთლიანი რაოდენობა არ არის დამოკიდებული არჩეულ გზაზე, არამედ მხოლოდ სისტემის საწყის და საბოლოო პირობებზე. ეს ძირითადი პრინციპი ძალიან სასარგებლოა იმ რეაქციების ენთალპიის ცვლილების (ΔH) გამოთვლისას, რომელთა პირდაპირ გაზომვა რთულია.

ჰესის კანონი უმნიშვნელოვანესია, რადგან ის საშუალებას გვაძლევს გამოვიყენოთ სხვა ცნობილი რეაქციის წარმოქმნის სტანდარტული ენთალპია ან ენთალპიის ცვლილება, რათა ვიპოვოთ სამიზნე რეაქციის ენთალპიის ცვლილება, რომლის გაზომვაც ადვილად არ ხდება. ამ სტატიაში განვიხილავთ რამდენიმე მაგალითს და განვიხილავთ ჰესის კანონის გამოყენებას.

ძირითადი თეორია

ჰესის კანონი მათემატიკური ფორმით შეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად:

თუ ქიმიური რეაქცია შეიძლება გამოიხატოს რამდენიმე ეტაპად, მაშინ ენთალპიის სრული ცვლილება (ΔH_total) თითოეული ეტაპის ენთალპიის ცვლილებების (ΔH) ჯამია. მათემატიკურად, ის ფორმულირებულია შემდეგნაირად:

ΔH_total = Σ ΔH_ეტაპი

ეს ნიშნავს, რომ შეგიძლიათ იპოვოთ რეაქციის ენთალპია შემდეგნაირად:

""
რეაქცია A → პროდუქტი
|
ΔH1
რეაქცია B → პროდუქტი
|
ΔH2

შემდეგ, ΔH_total (A → ნამრავლი) = ΔH1 + ΔH2
""

სამაგალითო კითხვებზე გადასვლამდე, რამდენიმე ტერმინის გააზრებაა საჭირო:

1. ენთალპია (H): მუდმივი წნევის ქვეშ მყოფი სისტემის სრული ენერგიის საზომი.
2. ΔH (ენთალპიის ცვლილება): ენთალპიის ცვლილება რეაქტანტებსა და პროდუქტებს შორის.
3. წარმოქმნის სტანდარტული ენთალპია (ΔHf°): ენთალპიის ცვლილება, როდესაც ნაერთის ერთი მოლი წარმოიქმნება მისი ელემენტებიდან სტანდარტულ მდგომარეობებში.

ნიმუშის კითხვები და დისკუსია

მაგალითი კითხვა 1: ფორმირების ენთალპიის გამოყენება

კითხვა:
გამოთვალეთ მეთანის (CH₄) წვის რეაქციის ენთალპია წარმოქმნის შემდეგი სტანდარტული ენთალპიის ცვლილების მონაცემების საფუძველზე:
– ΔHf° (CO₂(გ)) = -393.5 კჯ/მოლი
– ΔHf° (H₂O(ლ)) = -285.8 კჯ/მოლი
– ΔHf° (CH₄(გ)) = -74.8 კჯ/მოლი
– ΔHf° (O₂(g)) = 0 კჯ/მოლი (რადგან ჟანგბადის აირისებრი მასის სტანდარტულ მდგომარეობაში წარმოქმნის ენთალპია 0-ია)

მეთანის წვის რეაქცია:
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)

დისკუსია:

1. ჩაწერეთ ფორმირების ზოგადი რეაქცია და ენთალპია:

\[
ΔH_{რეაქცია} = ∑ΔH_{პროდუქტი} – ∑ΔH_{რეაქტანტი}
\]

2. განტოლებაში ჩაანაცვლეთ ფორმირების მნიშვნელობების სტანდარტული ენთალპია:

\[
ΔH_{რეაქცია} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf° (CH₄) + 2 ΔHf° (O₂)]
\]

3. ჩაანაცვლეთ ცნობილი მნიშვნელობები:

\[
ΔH_{რეაქცია} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]

4. დეტალური გამოთვლები:

\[
ΔH_{რეაქცია} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{რეაქცია} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{რეაქცია} = -890.3 კჯ/მოლი
\]

ამგვარად, მეთანის წვის რეაქციის ენთალპიის ცვლილება -890.3 კჯ/მოლია. უარყოფითი მნიშვნელობა მიუთითებს, რომ რეაქცია ეგზოთერმულია (ენერგიის გამოთავისუფლებით).

მაგალითი პრობლემა 2: წარმოებული რეაქციების გამოყენება

კითხვა:
გამოთვალეთ რეაქციის ენთალპია შემდეგი რეაქციისთვის:
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

მოცემულია სამი რეაქცია და ენთალპიის ცვლილებები შემდეგნაირად:
1. N₂(გ) + O₂(გ) → 2NO(გ), ΔH = 180 კჯ
2. 2NH₃(გ) + O₂(გ) → 2NO(გ) + 3H₂O(გ), ΔH = -904 კჯ
3. H₂(გ) + 1/2 O₂(გ) → H₂O(გ), ΔH = -242 კჯ

დისკუსია:

1. აღწერეთ რეაქცია წრფივი ფორმით, რომლის გადალაგებაც შესაძლებელია:

სამიზნე რეაქცია:
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

სამიზნე რეაქციის დასაკმაყოფილებლად მოცემული რეაქციის მანიპულირება გვჭირდება.

2. NH₃-ის შემცველი რეაქციების ანალიზი:

რეაქცია 2 შეიცავს NH₃-ს, მაგრამ რეაქცია გულისხმობს NH₃-ს დაშლას NO-დ და H₂O-დ. ამიტომ, შეაბრუნებთ ამ რეაქციას:

2NO(გ) + 3H₂O(გ) → 2NH₃(გ) + O₂(გ), ΔH = +904 კჯ

3. შემდეგ, ჩვენ უნდა მოვიშოროთ O₂(g):

ამისათვის ჩვენ ვიყენებთ რეაქციას (1):

N₂(გ) + O₂(გ) → 2NO(გ), ΔH = 180 კჯ

სამაგიეროდ, 2NO-ს გენერირებისთვის გვჭირდება. ეს რეაქცია იგივე რჩება.

4. გამოთვალეთ H₂O(g)-ის ენთალპია:

განტოლებაში სამჯერ დაამატეთ საპირისპირო რეაქცია (3):

3[H₂O(გ) → H₂(გ) + 1/2O₂(გ), ΔH = +242 კჯ]

გახდი:
3H₂O(გ) → 3H₂(გ) + 3/2 O₂(გ), ΔH = +726 კჯ

5. გააერთიანეთ და დააბალანსეთ განტოლებები:

\[
N₂(გ) + O₂(გ) → 2NO(გ), ΔH = 180 კჯ

+
2NO(გ) + 3 H₂O(გ) → 2NH₃(გ) + O₂(გ), ΔH = +904 კჯ

+
3H₂O(გ) → 3H₂(გ) + 3/2 O₂(გ), ΔH = +726 კჯ
\]

ამ რეაქციების შეჯამებისას, შეგვიძლია უგულებელვყოთ ორივე მხარეს არსებული კომპონენტები და გამოვთვალოთ სრული ენთალპია.

6. გამოთვალეთ სრული ენთალპია:

\[
N2(g) + 3 H2O(g) – 3H2(g) – 3/2 O2(g) → 2NH3(g) + O2(g) – O2(g) \მარჯვენა ისარი N2(g) + 3H2(g) →(2NH₂)
\]

სულ ენთალპია:
\[
ΔH_{სულ} = 180 + 904 + 726 = 1810 კჯ/მოლ
\]

ამგვარად, N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) რეაქციის ΔH არის +1810 კჯ. რადგან გვსურს გამოთავისუფლებული ენთალპიის (ეგზოთერმული) მიღება, ნამრავლის მნიშვნელობას უარყოფითს ვანიჭებთ:

\[
ΔH_{სულ} = -46 კჯ/მოლი
\]

დახურვა

ეს სტატია განიხილავს სამაგალითო ამოცანებს, რომლებიც იყენებენ ჰესის კანონს რეაქციის ენთალპიის ცვლილების გამოსათვლელად. თეორიული საფუძვლის გაგებით და სამაგალითო ამოცანებში მოცემული ნაბიჯების გამოყენებით, ვიმედოვნებთ, რომ მკითხველები უფრო ადვილად გაიაზრებენ ამ კონცეფციას და შეძლებენ მის გამოყენებას თერმოქიმიური გამოთვლების სხვადასხვა სიტუაციაში. ჰესის კანონი მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ აკადემიურ ქიმიაში, არამედ სასარგებლოა სამრეწველო ქიმიის კვლევასა და მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში სხვადასხვა სხვა გამოყენებაში.