Гесс заңын талқылайтын мысал сұрақтар
Пендахулуан
Орыс химигі Жермен Анри Гесстің есімімен аталған Гесс заңы химиялық термодинамиканың химиялық реакциялардың энергиясына қатысты негізгі қағидаларының бірі болып табылады. Бұл заң химиялық реакцияда өндірілген немесе сіңірілген жылудың (энергияның) жалпы мөлшері жүріп өткен жолға емес, тек жүйенің бастапқы және соңғы жағдайларына байланысты екенін айтады. Бұл негізгі қағида тікелей өлшеу қиын реакциялардың энтальпия өзгерісін (ΔH) есептеуде өте пайдалы.
Гесс заңы өте маңызды, себебі ол бізге өлшеуге оңай келмейтін мақсатты реакцияның энтальпия өзгерісін табу үшін стандартты түзілу энтальпиясын немесе басқа белгілі реакцияның энтальпия өзгерісін пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл мақалада біз бірнеше мысал есептерді қарастырамыз және Гесс заңын қолдануды талқылаймыз.
Негізгі теория
Гесс заңын математикалық түрде келесідей тұжырымдауға болады:
Егер химиялық реакцияны бірнеше сатыда көрсетуге болатын болса, онда жалпы энтальпия өзгерісі (ΔH_total) әр сатының энтальпия өзгерістерінің (ΔH) қосындысына тең. Математикалық тұрғыдан ол келесідей тұжырымдалады:
ΔH_жалпы = Σ ΔH_кезеңі
Бұл дегеніміз, сіз реакцияның энтальпиясын келесідей таба аласыз:
««
А реакциясы → Өнім
|
ΔH1
B реакциясы → Өнім
|
ΔH2
Сонда, ΔH_жалпы (A → Көбейтінді) = ΔH1 + ΔH2
««
Мысал сұрақтарға өтпес бұрын, түсіну қажет бірнеше терминдер бар:
1. Энтальпия (Н): Тұрақты қысым астындағы жүйенің жалпы энергиясының өлшемі.
2. ΔH (Энтальпия өзгерісі): реагенттер мен өнімдер арасындағы энтальпия өзгерісі.
3. Стандартты түзілу энтальпиясы (ΔHf°): Қосылыстың бір молі оның элементтерінен стандартты күйде түзілген кездегі энтальпияның өзгеруі.
Үлгі сұрақтар және талқылау
1-мысал: Қалыптасу энтальпиясын пайдалану
Сұрақ:
Метанның жану реакциясының энтальпиясын (CH₄) келесі стандартты түзілу энтальпиясының өзгеріс деректеріне сүйене отырып есептеңіз:
– ΔHf° (CO₂(g)) = -393.5 кДж/моль
– ΔHf° (H₂O(l)) = -285.8 кДж/моль
– ΔHf° (CH₄(г)) = -74.8 кДж/моль
– ΔHf° (O₂(g)) = 0 кДж/моль (өйткені оттегі газының стандартты күйіндегі түзілу энтальпиясы 0-ге тең)
Метанның жану реакциясы:
CH₄(г) + 2O₂(г) → CO₂(г) + 2H₂O(л)
Талқылау:
1. Жалпы реакция мен түзілу энтальпиясын жазыңыз:
\[
ΔH_{реакция} = ∑ΔH_{өнім} – ∑ΔH_{реагент}
\]
2. Қалыптасу мәндерінің стандартты энтальпиясын келесі теңдеуге ауыстырыңыз:
\[
ΔH_{реакция} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf°(CH₄) + 2 ΔHf°(O₂)]
\]
3. Белгілі мәндерді ауыстырыңыз:
\[
ΔH_{реакция} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]
4. Егжей-тегжейлі есептеулер:
\[
ΔH_{реакция} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{реакция} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{реакция} = -890.3 кДж/моль
\]
Сонымен, метанның жану реакциясы үшін энтальпия өзгерісі -890.3 кДж/моль құрайды. Теріс мән реакцияның экзотермиялық (энергия бөлінетін) екенін көрсетеді.
2-мысал: Туынды реакцияларды қолдану
Сұрақ:
Келесі реакция үшін реакция энтальпиясын есептеңіз:
N₂(г) + 3Н₂(г) → 2NH₃(г)
Төмендегідей үш реакция және энтальпия өзгерістері берілген:
1. N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 кДж
2. 2NH₃(g) + O₂(g) → 2NO(g) + 3H₂O(g), ΔH = -904 кДж
3. H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(g), ΔH = -242 кДж
Талқылау:
1. Реакцияны қайта реттеуге болатын сызықтық түрдегі сипаттаңыз:
Мақсатты реакция:
N₂(г) + 3Н₂(г) → 2NH₃(г)
Мақсатты реакцияға жету үшін берілген реакцияны манипуляциялауымыз керек.
2. NH₃ қатысатын реакцияларды талдау:
2-реакцияда NH₃ бар, бірақ реакция NH₃-ты NO және H₂O-ға ыдырату болып табылады. Сондықтан, бұл реакцияны кері бағытта жүргізіңіз:
2NO(g) + 3H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 кДж
3. Келесі кезекте, O₂(g)-дан құтылуымыз керек:
Ол үшін (1) реакциясын қолданамыз:
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 кДж
Оның орнына, бізге 2NO түзілуі керек. Бұл реакция өзгеріссіз қалады.
4. H₂O(g) үшін энтальпияны есептеңіз:
Кері реакцияны (3) теңдеуге үш рет қосыңыз:
3[H₂O(g) → H₂(g) + 1/2O₂(g), ΔH = +242 кДж]
Болу:
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 кДж
5. Теңдеулерді біріктіріп, теңестіріңіз:
\[
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 кДж
+
2NO(g) + 3 H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 кДж
+
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 кДж
\]
Бұл реакцияларды қорытындылағанда, екі жағында да пайда болатын компоненттерді ескермей, жалпы энтальпияны есептей аламыз.
6. Жалпы энтальпияны есептеңіз:
\[
N₂(г) + 3 H₂O(г) – 3Н₂(г) – 3/2 O₂(г) → 2NH₃(г) + O₂(г) – O₂(g) \оң жақ көрсеткі N₂(g) + 3H₂(г) → 2NH)₃(g)
\]
Жалпы энтальпия:
\[
ΔH_{жалпы} = 180 + 904 + 726 = 1810 кДж/моль
\]
Сонымен, N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) реакциясы үшін ΔH +1810 кДж құрайды. Бөлінген энтальпияны (экзотермиялық) алғымыз келгендіктен, көбейтіндінің мәнін теріс мәнге қоямыз:
\[
ΔH_{жалпы} = -46 кДж/моль
\]
Жабу
Бұл мақалада Гесс заңын реакцияның энтальпия өзгерісін есептеу үшін қолданатын мысал есептері талқыланады. Теориялық негізді түсіну және мысал есептерінің қадамдарын қолдану арқылы оқырмандар бұл ұғымды оңай түсініп, оны термохимиялық есептеулерге қатысты әртүрлі жағдайларға қолдана алады деп үміттенеміз. Гесс заңы тек академиялық химияда ғана емес, сонымен қатар өнеркәсіптік химия зерттеулерінде және ғылым мен техникадағы басқа да әртүрлі қолданбаларда пайдалы.
