Contoh Soalan Membincangkan Entalpi dan Perubahan Entalpi
Entalpi merupakan konsep utama dalam termodinamik kimia, yang sering ditemui dalam pelbagai topik kimia, daripada tindak balas kimia hingga perubahan fasa. Dalam artikel ini, kami akan mengulas beberapa contoh masalah dan membincangkan entalpi dan perubahan entalpi untuk membantu kami memahami konsep tersebut dengan lebih baik.
Memahami Entalpi
Entalpi (H) ialah jumlah tenaga dalam sistem termodinamik. Ia bukan sahaja merangkumi tenaga dalaman yang tersimpan dalam zarah tetapi juga tenaga yang diperlukan untuk mewujudkan ruang untuk zarah dalam persekitaran tekanan tertentu. Entalpi diukur dalam joule (J) dalam Sistem Antarabangsa (SI).
Secara matematik, entalpi ditakrifkan sebagai:
\[ H = U + PV \]
Di mana:
– \( H \) ialah entalpi
– \( U \) ialah tenaga dalaman
– \( P \) ialah tekanan
– \( V \) ialah isipadu
Perubahan Entalpi
Perubahan entalpi (\( \Delta H \)) berlaku apabila tindak balas kimia atau proses fizikal berlaku. Perubahan entalpi ini boleh ditakrifkan sebagai jumlah haba yang dibebaskan atau diserap oleh sistem pada tekanan malar. Secara matematik:
\[ \Delta H = H_{\text{produk}} – H_{\text{bahan tindak balas}} \]
Tindak balas eksotermik ialah tindak balas yang membebaskan haba ke persekitaran, dan dalam tindak balas ini, \( \Delta H \) adalah negatif. Sementara itu, tindak balas endotermik ialah tindak balas yang menyerap haba daripada persekitaran, dan dalam tindak balas ini, \( \Delta H \) mempunyai nilai positif.
Contoh Soalan dan Perbincangan
Contoh Soalan 1: Perubahan Entalpi Pembakaran
Soalan:
Telah diketahui bahawa pembakaran lengkap 1 mol metana (\(CH_4\)) menghasilkan karbon dioksida (\(CO_2\)) dan air (\(H_2O\)). Data entalpi pembentukan adalah seperti berikut:
– \( \Delta H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Delta H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Kirakan perubahan entalpi (\( \Delta H \)) bagi tindak balas pembakaran.
Perbincangan:
Tindak balas pembakaran metana ialah:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \anak panah kanan CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Perubahan entalpi tindak balas (\( \Delta H \)) boleh dikira menggunakan entalpi pembentukan:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \text{produk} – \Sigma \Delta H_f \text{bahan tindak balas} \]
Produk:
\[ \Delta H_f (CO_2 (g)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (H_2O (l)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Jumlah entalpi hasil darab:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2\times(-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Bahan tindak balas:
\[ \Delta H_f (CH_4 (g)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(Oksigen dalam keadaan piawainya mempunyai entalpi pembentukan sifar.)
Jumlah entalpi bahan tindak balas:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2\times(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Jadi, perubahan entalpi (\( \Delta H \)) ialah:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Delta H = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Jadi, perubahan entalpi bagi pembakaran 1 mol metana ialah \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Contoh Soalan 2: Perubahan Entalpi dalam Proses Fizikal
Soalan:
Kira perubahan entalpi apabila 50 gram ais (\(H_2O_{(s)}\)) pada 0°C dicairkan ke dalam air (\(H_2O_{(l)}\)) pada 0°C. Telah diketahui bahawa haba pencairan ais (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) ialah 6.01 kJ/mol dan jisim molar air ialah 18 g/mol.
Perbincangan:
Langkah pertama ialah mengira bilangan mol ais.
\[ \text{Mole ais} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
Seterusnya kita kira perubahan entalpi untuk mencairkan ais:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \Delta H = 2.78 \text{mol} \cdot 6.01 \text{kJ/mol} \]
\[ \Delta H \lebih kurang 16.7 \text{kJ} \]
Jadi, perubahan entalpi apabila 50 gram ais dicairkan pada suhu 0°C ialah kira-kira 16.7 kJ. Ini adalah proses endotermik kerana ais menyerap haba untuk bertukar menjadi air.
Contoh 3: Tindak Balas Hess
Soalan:
Gunakan hukum Hess untuk menentukan perubahan entalpi bagi tindak balas berikut:
\[ 2 C(grafit) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Beberapa tindak balas diketahui dengan perubahan entalpi masing-masing:
1. \( C(grafit) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \( 2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
Perbincangan:
Untuk mengira perubahan entalpi (\( \Delta H \)) bagi tindak balas, kita perlu membalikkan dan mendarabkan beberapa tindak balas untuk memadankan tindak balas sasaran.
Langkah-langkah:
1. Tukar tindak balas \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \anak panah kanan 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Songsangkan dan bahagikan tindak balas:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \anak panah kanan 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Tindak balas \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(grafit) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Tindak balas \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \anak panah kanan 6H_2O(l), \Delta H = 6 \kali -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Menggabungkan semuanya, kita dapat:
\[2C(grafit) + 3H_2(g) \anak panah kanan C_2H_6\]
\[ \Delta H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \text{kJ}\]
Jadi, perubahan entalpi tindak balas 2 mol grafit dan 3 mol \(H_2\) kepada \(C_2H_6(g)\) ialah -1729 kJ.
Oleh itu, memahami konsep entalpi dan aplikasinya kepada pelbagai jenis tindak balas memberikan gambaran tentang bagaimana tenaga terlibat dalam perubahan kimia dan fizikal. Masalah di atas adalah beberapa contoh yang kerap digunakan dalam kurikulum untuk mengukuhkan pemahaman tentang konsep-konsep ini.
