Стандарт нөхцөлд энтальпийн өөрчлөлтийн талаарх жишээ асуултууд
Пендахулуан
Энтальпийн өөрчлөлт нь термохимийн үндсэн ойлголт бөгөөд янз бүрийн химийн процессуудад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ нийтлэлд бид стандарт нөхцөлд энтальпийн өөрчлөлтийг хэрхэн тооцоолж, ойлгох талаар хэд хэдэн жишээ бодлого, цогц хэлэлцүүлгээр дамжуулан дэлгэрэнгүй авч үзэх болно. Энэхүү нийтлэл нь оюутнууд, коллежийн оюутнууд болон химийн чиглэлээр суралцаж буй хүн бүрт энэ сэдвийг илүү сайн ойлгоход хэрэгтэй болно.
Энтальпи ба түүний өөрчлөлтийг ойлгох нь
Энтальпи (H) нь системийн нийт энерги бөгөөд дотоод энерги болон даралт ба эзэлхүүнтэй холбоотой энергиэс бүрдэнэ. Химийн урвалын хувьд бид тогтмол даралттай үед урвалын явцад нийт энергийн өөрчлөлтийг тусгасан энтальпигийн өөрчлөлтийг (ΔH) ихэвчлэн сонирхдог.
Стандарт нөхцөлд энтальпийн өөрчлөлт (ΔH⁰) нь бүх урвалж бодисууд болон бүтээгдэхүүнүүд стандарт төлөвтөө, өөрөөр хэлбэл 1 атм даралттай, ихэвчлэн 25°C (298 K) температурт байх үеийн энтальпийн өөрчлөлт юм.
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Асуулт 1: Метаны шаталт
Асуулт: Дараах тэгшитгэл дээр үндэслэн 1 моль метан (\(CH_4\)) шаталтын стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) тооцоолно уу:
\[ CH_4(g) + 2O_2(g) \баруун сум CO_2(g) + 2H_2O(l) \]
Энэ нь мэдэгдэж байна:
– ΔH⁰f \(CH_4(g)\) = -74.8 кЖ/моль
– ΔH⁰f \(CO_2(g)\) = -393.5 кЖ/моль
– ΔH⁰f \(H_2O(l)\) = -285.8 кЖ/моль
Хэлэлцүүлэг:
Химийн урвалын стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг Хессийн хуулийг ашиглан дараах томъёогоор тооцоолж болно.
\[ \Дельта H⁰ = ∑ ΔH⁰f(бүтээгдэхүүн) – ∑ ΔH⁰f(урвалж бодис) \]
Эхлээд урвалд орсон бодис бүрийн үүсэх стандарт энтальпийг тодорхойл:
– \( ΔH⁰f_{CH_4(g)} = -74.8 \) кЖ/моль
– \( ΔH⁰f_{CO_2(g)} = -393.5 \) кЖ/моль
– \( ΔH⁰f_{H_2O(l)} = -285.8 \) кЖ/моль (хоёр моль \(H_2O\)-ийн хувьд ×2)
Дараа нь бүтээгдэхүүн ба урвалжуудын үүсэх энтальпийн нийлбэрийг тооцоолно уу:
\[ ∑ ΔH⁰f(үржвэр) = [-393.5] + [2(-285.8)]
= -393.5 + (-571.6)
= -965.1 \text{ кЖ/моль} \]
\[ ∑ ΔH⁰f(урвалж бодис) = [-74.8] + [0] \]
(Үндсэн хэлбэрийн бүх элементийн нэгдлүүд нь 0 кЖ/моль үүсэх стандарт энтальпитэй байдаг)
Дараа нь стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) тооцоолно уу:
\[ ΔH⁰ = -965.1 – (-74.8)
= -965.1 + 74.8
= -890.3 \text{ кЖ/моль} \]
Тиймээс 1 моль метаны шаталтын үед стандарт энтальпийн өөрчлөлт нь -890.3 кЖ/моль байна.
Асуулт 2: Ус үүсэх урвал
Асуулт: Дараах тэгшитгэл дээр үндэслэн устөрөгч ба хүчилтөрөгчөөс ус үүсэх үеийн стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) тооцоолно уу.
\[ 2H_2(g) + O_2(g) \баруун сум 2H_2O(l) \]
Энэ нь мэдэгдэж байна:
– ΔH⁰f \(H_2O(l)\) = -285.8 кЖ/моль
Хэлэлцүүлэг:
Бид эхлэлийн бодисоос хүссэн бүтээгдэхүүн рүү урвалд орох үед үүсэх стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг олох хэрэгтэй. Үүсэлтийн стандарт энтальпийг ашиглан:
\[ ΔH⁰ = ∑ ΔH⁰f(бүтээгдэхүүн) – ∑ ΔH⁰f(урвалж бодис) \]
Бүтээгдэхүүн ба урвалжуудын үүсэх энтальпийг тооцоолно уу:
\[
\эхлэх{тэгших}
∑ ΔH⁰f(үржвэр) & = [2(-285.8)] \\
∑ ΔH⁰f(үржвэр) & = -571.6 \text{ кЖ/моль}
\end{align}
\]
\[
ΔH⁰f(H_2(g)) = 0 \text{ кЖ/моль} \\
ΔH⁰f(O_2(g)) = 0 \text{ кЖ/моль} \\
∑ ΔH⁰f(урвалж бодисууд) = [2(0)] + [0] = 0 \text{ кЖ/моль}
\]
Дараа нь стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) тооцоолно уу:
\[ ΔH⁰ = -571.6 \text{ кЖ/моль} \]
Тиймээс ус үүсэх үеийн стандарт энтальпийн өөрчлөлт нь -571.6 кЖ/моль байна.
Асуулт 3: Азотын давхар ислийн задрал
Асуулт: Азотын давхар исэл (\(NO_2\))-ийг азотын дутуу ислийн хий (\(NO\)) ба хүчилтөрөгчийн хий (O₂) болгон задлах үед стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) дараах тэгшитгэл дээр үндэслэн тооцоолно уу:
\[ 2NO_2(g) \баруун сум 2NO(g) + O_2(g) \]
Энэ нь мэдэгдэж байна:
– ΔH⁰f \(NO_2(g)\) = 33.2 кЖ/моль
– ΔH⁰f \(NO(g)\) = 90.3 кЖ/моль
Хэлэлцүүлэг:
Үүнтэй төстэй тооцоолол:
\[ ΔH⁰ = ∑ ΔH⁰f(бүтээгдэхүүн) – ∑ ΔH⁰f(урвалж бодис) \]
Бүтээгдэхүүний үүсэх энтальпийг тооцоолно уу:
\[
\эхлэх{тэгших}
∑ ΔH⁰f(үржвэр) & = [2( ΔH⁰f_{NO(g)} )] + [ ΔH⁰f_{O_2(g)}] \\
& = [2(90.3)] + [0] \\
& = 180.6 \text{ кЖ/моль}
\end{align}
\]
Урвалж бодисын үүсэх энтальпийг тооцоолно уу:
\[
\эхлэх{тэгших}
∑ ΔH⁰f(урвалжлагч) & = [2(ΔH⁰f_{NO_2(g)})] \\
& = [2(33.2)] \\
& = 66.4 \text{ кЖ/моль}
\end{align}
\]
Стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) тооцоолно уу:
\[ΔH⁰ = 180.6 – 66.4 = 114.2 \text{ кЖ/моль} \]
Тиймээс азотын давхар ислийн задралын стандарт энтальпийн өөрчлөлт нь 114.2 кЖ/моль байна.
Дүгнэлт
Стандарт энтальпийн өөрчлөлтийг (ΔH⁰) тооцоолох нь термохимийн чухал арга юм. Үүсэлтийн стандарт энтальпийг хэрхэн ашиглах, Хессийн хуулийг хэрхэн хэрэгжүүлэхийг ойлгосноор бид янз бүрийн химийн урвалын энергийн өөрчлөлтийг тодорхойлж чадна. Дээрх жишээ бодлогуудын тусламжтайгаар уншигчид янз бүрийн химийн урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг тооцоолох ойлголт, чадварыг олж авах болно гэж найдаж байна. Энэхүү мэдлэг нь зөвхөн эрдэм шинжилгээний судалгаанд төдийгүй янз бүрийн үйлдвэрлэлийн хэрэглээ, шинжлэх ухааны судалгаанд чухал ач холбогдолтой юм.
