Термохимийн хэлэлцүүлгийн асуултуудын жишээ
Пендахулуан
Термохими нь химийн урвал ба энергийн өөрчлөлт, ялангуяа дулааны хэлбэрээр харилцан хамаарлыг судалдаг химийн салбар юм. Энэ нь физик химийн чухал сэдэв бөгөөд учир нь энэ нь химийн урвалын үед энерги хэрхэн шилжиж, хувирдагийг ойлгоход бидэнд тусалдаг. Энэ нийтлэлд бид эдгээр ойлголтуудыг тодруулахад туслах хэд хэдэн термохимийн жишээ бодлогуудыг авч үзэх болно.
Жишээ асуулт 1: Шаталтын энтальпийн өөрчлөлт
Асуулт:
Этанол (C2H5OH)-ийн шаталтын энтальпи (ΔHc) нь -1367 кЖ/моль байна. 2 моль этанол бүрэн шатахад ялгарч буй энергийн хэмжээг тодорхойл!
Хэлэлцүүлэг:
Шаталтын энтальпийн өөрчлөлт (ΔHc) нь нэг моль бодис хүчилтөрөгчөөр бүрэн шатахад ялгардаг энерги юм. Этанолын хувьд ΔHc = -1367 кЖ/моль.
Хэрэв 2 моль этанол шатвал ялгарч буй энергийн хэмжээ дараах байдалтай байна.
\[ \text{Эрчим хүчний ялгаруулалт} = 2 \, \text{мол} \удаа (-1367 \, \text{кЖ/мол}) \]
\[ \text{Цэнэглэх энерги} = -2734 \, \text{кЖ} \]
Тиймээс 2 моль этанол бүрэн шатахад ялгарсан энерги нь -2734 кЖ байна.
Жишээ асуулт 2: Үүсэлтийн энтальпийн өгөгдлөөс урвалын энтальпийг тооцоолох
Асуулт:
Усны уур үүсэх урвалын энтальпийг тооцоолохын тулд дараах стандарт үүсэх энтальпийн өгөгдлийг ашиглана уу:
– \(\Дельта H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2(g)) = 0 \, \text{kJ/mol}\)
– \(\Дельта H_{\text{f}}^{\circ}(\text{O}_2(g)) = 0 \, \text{kJ/mol}\)
– \(\Дельта H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2\text{O}(g)) = -241.8 \, \text{kJ/mol}\)
Урвал:
\[ \text{H}_2(g) + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(g) \]
Хэлэлцүүлэг:
Урвалын энтальпи (\(\Delta H_{\text{rxn}}\))-ийг үүсэх стандарт энтальпи (\(\Delta H_{\text{f}}^{\circ}\)) ашиглан дараах томъёогоор тооцоолж болно:
\[ \Delta H_{\text{rxn}} = \Sigma \Delta H_{\text{f}}^{\circ} \text{product} – \Sigma \Delta H_{\text{f}}^{\circ} \text{урвалж бодисууд} \]
Энэ урвалын хувьд:
\[ \Delta H_{\text{rxn}} = \Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2\text{O}(g)) – \left[ \Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{H}_2(g)) + \frac{1}{2} \Delta H_{\text{f}}^{\circ}(\text{O}_2(g)) \right] \]
Үүсэлтийн утгын энтальпийг оруулна уу:
\[ \Дельта H_{\текст{rxn}} = -241.8 \, \текст{кЖ/моль} – \зүүн[ 0 + \frac{1}{2} \удаа 0 \баруун] \]
\[ \Дельта H_{\текст{rxn}} = -241.8 \, \текст{кЖ/моль} \]
Тиймээс усны уур үүсэх урвалын энтальпи нь -241.8 кЖ/моль байна.
Жишээ асуулт 3: Хессийн хууль
Асуулт:
Дараах урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг (\(\Дельта H\)) тодорхойлно уу:
\[ \text{C(s)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} \]
Дараах өгөгдлийг ашиглана уу:
1. \(\text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \Delta H = -393.5 \, \text{kJ}\)
2. \(\text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \Delta H = -283.0 \, \text{kJ}\)
Хэлэлцүүлэг:
Хэрэв химийн урвалыг хэд хэдэн бусад урвалын нийлбэр хэлбэрээр илэрхийлж болох бол нийт урвалын энтальпийн өөрчлөлт нь эдгээр урвалын энтальпийн өөрчлөлтийн нийлбэр юм гэж заасан Хессийн хуулийг ашиглана уу.
Алхам 1: Зорилтот урвалтай тохирохын тулд буцаах эсвэл өөрчлөх шаардлагатай урвалыг бичнэ үү:
– Урвал (1): \(\text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \Delta H = -393.5 \, \text{kJ}\)
– Урвал (2): \(\text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \Delta H = -283.0 \, \text{kJ}\)
Алхам 2: Урвуу урвал (2) хийж, \(\Дельта H\) тэмдгийг өөрчилнө үү:
\[ \text{CO}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \, \Delta H = 283.0 \, \text{kJ} \]
Алхам 3: (1) урвал болон урвуу урвалыг (2) нэмнэ үү:
\[ \text{C(s)} + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) \, \Delta H = -393.5 \, \text{kJ} \]
\[ \text{CO}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \, \Delta H = 283.0 \, \text{kJ} \]
Алхам 4: Хоёр урвалыг нэмнэ үү:
\[ \text{C(s)} + \text{O}_2(g) + \text{CO}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + \text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \]
Хялбаршуулах нь дараахь үр дүнд хүргэдэг.
\[ \text{C(s)} + \frac{1}{2} \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO(g)} \]
Нийт энтальпийн өөрчлөлт (\(\Дельта H\)):
\[ \Дельта H = -393.5 \, \текст{кЖ} + 283.0 \, \текст{кЖ} = -110.5 \, \текст{кЖ} \]
Тиймээс урвалын энтальпийн өөрчлөлт нь -110.5 кЖ байна.
Жишээ асуулт 4: Калориметр
Асуулт:
Калориметрийн туршилтаар 50 г ус (c = 4.18 Ж/г°C)-ийг 25°C-аас 75°C хүртэл халаана. Шаардлагатай дулааны хэмжээг (q) тооцоолно уу.
Хэлэлцүүлэг:
Усыг халаахад шаардагдах дулааны хэмжээг (q) дараах томъёогоор тооцоолж болно.
\[ q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
– м = усны масс = 50 г
– c = хувийн дулаан багтаамж = 4.18 Ж/г°C
– \(\Дельта Т = \) температурын өөрчлөлт \( = 75°C – 25°C = 50°C \)
\[ q = 50 \, \text{g} \удаа 4.18 \, \text{J/g°C} \удаа 50°C \]
\[ q = 10450 \, \text{J} \]
Тэгэхээр 50 г усыг 25°C-аас 75°C хүртэл халаахад шаардагдах дулааны хэмжээ нь 10450 Ж байна.
Хаах
Дээрх жишээ бодлогуудын хэлэлцүүлэг нь химийн урвал болон энергийн хувиралтай холбоотой янз бүрийн асуудлыг шийдвэрлэхэд термохимийн ойлголтуудыг хэрхэн ашиглаж болох талаар дэлгэрэнгүй тоймыг өгдөг. Термохими нь аж үйлдвэр, эрчим хүч, шинжлэх ухааны судалгаа зэрэг янз бүрийн салбарт чухал ач холбогдолтой бөгөөд учир нь энэ нь бидэнд химийн урвалд явагддаг энергийн хувирлыг ойлгож, удирдах боломжийг олгодог. Термохимийн талаар сайн ойлголттой болсноор бид илүү үр ашигтай процессуудыг зохион бүтээж, шинэ, байгаль орчинд ээлтэй технологи боловсруулж чадна.
