Хессийн хуулийг хэлэлцэх жишээ асуултууд
Пендахулуан
Оросын химич Жермен Анри Хессийн нэрээр нэрлэгдсэн Хессийн хууль нь химийн урвалын энергитэй холбоотой химийн термодинамикийн үндсэн зарчмуудын нэг юм. Энэ хуульд химийн урвалд үүссэн эсвэл шингээгдсэн нийт дулааны хэмжээ (энерги) нь сонгосон замаас бус, зөвхөн системийн анхны болон эцсийн нөхцлөөс хамаарна гэж заасан байдаг. Энэхүү үндсэн зарчим нь шууд хэмжихэд хэцүү урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH) тооцоолоход маш хэрэгтэй байдаг.
Гессийн хууль нь маш чухал ач холбогдолтой, учир нь энэ нь бидэнд стандарт үүсэх энтальпи буюу өөр мэдэгдэж буй урвалын энтальпигийн өөрчлөлтийг ашиглан хэмжихэд хялбар биш зорилтот урвалын энтальпигийн өөрчлөлтийг олох боломжийг олгодог. Энэ нийтлэлд бид хэд хэдэн жишээ бодлогыг авч үзэж, Гессийн хуулийн хэрэглээг хэлэлцэх болно.
Үндсэн онол
Хессийн хуулийг математикийн хэлбэрээр дараах байдлаар томъёолж болно.
Хэрэв химийн урвалыг хэд хэдэн үе шатанд илэрхийлж болох бол нийт энтальпийн өөрчлөлт (ΔH_нийт) нь үе шат бүрийн энтальпийн өөрчлөлтийн (ΔH) нийлбэр юм. Математикийн хувьд үүнийг дараах байдлаар томъёолно.
ΔH_нийт = Σ ΔH_үе шат
Энэ нь та иймэрхүү урвалын энтальпийг олж чадна гэсэн үг юм:
""
А урвал → Бүтээгдэхүүн
|
ΔH1
B урвал → Бүтээгдэхүүн
|
ΔH2
Тэгвэл, ΔH_нийт (A → Үржвэр) = ΔH1 + ΔH2
""
Жишээ асуултуудад орохоосоо өмнө ойлгох шаардлагатай хэд хэдэн нэр томьёо байна:
1. Энтальпи (H): Тогтмол даралттай системийн нийт энергийн хэмжүүр.
2. ΔH (Энтальпийн өөрчлөлт): Урвалж бодис ба бүтээгдэхүүний хоорондох энтальпийн өөрчлөлт.
3. Стандарт үүсэх энтальпи (ΔHf°): Нэгдлийн нэгдэл нь стандарт төлөвт байгаа элементүүдээс үүсэх үед энтальпийн өөрчлөлт.
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Жишээ асуулт 1: Үүсэлтийн энтальпийг ашиглах нь
Асуулт:
Дараах стандарт энтальпийн үүсэх өөрчлөлтийн өгөгдөлд үндэслэн метаны шаталтын урвалын энтальпийг (CH₄) тооцоолно уу:
– ΔHf° (CO₂(g)) = -393.5 кЖ/моль
– ΔHf° (H₂O(l)) = -285.8 кЖ/моль
– ΔHf° (CH₄(g)) = -74.8 кЖ/моль
– ΔHf° (O₂(g)) = 0 кЖ/моль (учир нь хүчилтөрөгчийн хий нь стандарт төлөвтөө 0 үүсэх энтальпитэй байдаг)
Метаны шаталтын урвал:
CH₄(г) + 2O₂(г) → CO₂(г) + 2H₂O(л)
Хэлэлцүүлэг:
1. Ерөнхий урвал ба үүсэх энтальпийг бичнэ үү:
\[
ΔH_{урвал} = ∑ΔH_{бүтээгдэхүүн} – ∑ΔH_{урвалж бодис}
\]
2. Үүсэлтийн утгуудын стандарт энтальпийг дараах тэгшитгэлд орлуулна уу:
\[
ΔH_{урвал} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf°(CH₄) + 2 ΔHf°(O₂)]
\]
3. Мэдэгдэж буй утгуудыг орлуулна уу:
\[
ΔH_{урвал} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]
4. Нарийвчилсан тооцоолол:
\[
ΔH_{урвал} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{урвал} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{урвал} = -890.3 кЖ/моль
\]
Тэгэхээр метаны шаталтын урвалын энтальпийн өөрчлөлт -890.3 кЖ/моль байна. Сөрөг утга нь урвал экзотермик (энерги ялгаруулдаг) болохыг илтгэнэ.
Жишээ бодлого 2: Үүсмэл урвалуудыг ашиглах
Асуулт:
Дараах урвалын энтальпийг тооцоолно уу:
N₂(г) + 3Н₂(г) → 2NH₃(г)
Дараах гурван урвал ба энтальпийн өөрчлөлтийг өгөв:
1. N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 кЖ
2. 2NH₃(g) + O₂(g) → 2NO(g) + 3H₂O(g), ΔH = -904 кЖ
3. H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(g), ΔH = -242 кЖ
Хэлэлцүүлэг:
1. Урвалыг дахин зохион байгуулж болох шугаман хэлбэрээр тайлбарлана уу:
Зорилтот хариу үйлдэл:
N₂(г) + 3Н₂(г) → 2NH₃(г)
Бид зорилтот урвалд хүрэхийн тулд өгөгдсөн урвалыг өөрчлөх хэрэгтэй.
2. NH₃-тай холбоотой урвалын шинжилгээ:
2-р урвал нь NH₃ агуулдаг боловч урвал нь NH₃-ийг NO ба H₂O болгон задлах явдал юм. Тиймээс энэ урвалыг урвуу болго:
2NO(g) + 3H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 кЖ
3. Дараа нь бид O₂(g)-ээс салах хэрэгтэй:
Үүний тулд бид (1) урвалыг ашиглана:
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 кЖ
Үүний оронд бидэнд 2NO үүсэх хэрэгтэй. Энэ урвал хэвээрээ байна.
4. H₂O(g)-ийн энтальпийг тооцоолно уу:
Урвуу урвал (3)-ыг тэгшитгэлд гурван удаа нэмнэ үү:
3[H₂O(g) → H₂(g) + 1/2O₂(g), ΔH = +242 кЖ]
Болно:
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 кЖ
5. Тэгшитгэлүүдийг нэгтгэж, тэнцвэржүүл:
\[
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 кЖ
+
2NO(g) + 3 H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 кЖ
+
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 кЖ
\]
Эдгээр урвалуудыг нэгтгэхдээ бид хоёр тал дээр гарч буй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг үл тоомсорлож, нийт энтальпийг тооцоолж болно.
6. Нийт энтальпийг тооцоолно уу:
\[
N₂(г) + 3 H₂O(г) – 3H₂(г) – 3/2 O₂(г) → 2NH₃(г) + O₂(г) – O₂(g) \баруун сум N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH)₃
\]
Нийт энтальпи:
\[
ΔH_{нийт} = 180 + 904 + 726 = 1810 кЖ/моль
\]
Тэгэхээр, N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) урвалын ΔH нь +1810 кЖ байна. Бид энтальпийг (экзотермик) ялгаруулмаар байгаа тул бүтээгдэхүүний утгыг сөрөг болгож байна:
\[
ΔH_{нийт} = -46 кЖ/моль
\]
Хаах
Энэ нийтлэлд урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг тооцоолоход Хессийн хуулийг хэрэгжүүлдэг жишээ бодлогуудыг авч үзэх болно. Онолын үндэслэлийг ойлгож, жишээ бодлогын алхмуудыг хэрэгжүүлснээр уншигчид энэ ойлголтыг илүү хялбар ойлгож, термохимийн тооцоололтой холбоотой янз бүрийн нөхцөл байдалд хэрэгжүүлж чадна гэж найдаж байна. Хессийн хууль нь зөвхөн эрдэм шинжилгээний химийн салбарт чухал ач холбогдолтой төдийгүй үйлдвэрлэлийн химийн судалгаа болон шинжлэх ухаан, технологийн бусад янз бүрийн хэрэглээнд ашигтай юм.
