Exempelfrågor som diskuterar entalpi och entalpiförändringar
Entalpi är ett nyckelbegrepp inom kemisk termodynamik, som ofta förekommer i olika kemiämnen, från kemiska reaktioner till fasförändringar. I den här artikeln ska vi granska flera exempelproblem och diskutera entalpi och entalpiförändringar för att hjälpa oss att bättre förstå konceptet.
Att förstå entalpi
Entalpi (H) är den totala mängden energi i ett termodynamiskt system. Den inkluderar inte bara den interna energin som lagras i partiklarna utan också den energi som krävs för att skapa utrymme för partiklarna i en given tryckmiljö. Entalpi mäts i joule (J) i det internationella systemet (SI).
Matematiskt definieras entalpi som:
\[ H = U + PV \]
Där:
– \(H \) är entalpin
– \(U \) är den inre energin
– \(P \) är tryck
– \(V \) är volymen
Entalpiförändring
Entalpiförändring (ΔH) inträffar när en kemisk reaktion eller fysikalisk process äger rum. Denna entalpiförändring kan definieras som den mängd värme som frigörs eller absorberas av ett system vid konstant tryck. Matematiskt:
\[ \Delta H = H_{\text{produkt}} – H_{\text{reaktant}} \]
Exoterma reaktioner är reaktioner som frigör värme till omgivningen, och i dessa reaktioner är ΔH₂ negativt. En endoterm reaktion är däremot en reaktion som absorberar värme från omgivningen, och i denna reaktion har ΔH₂ ett positivt värde.
Exempel på Soal och Pembahasan
Exempelfråga 1: Förändring i förbränningsentalpi
Fråga:
Det är känt att fullständig förbränning av 1 mol metan (CH₄) producerar koldioxid (CO₂) och vatten (H₂O). Entalpin för bildningsdata är följande:
– (ΔH₂O (l) = -285.8 kJ/mol)
– (ΔH₂f, CO₂(g) = -393.5 kJ/mol)
– (ΔH₂f, CH₃₄(g) = -74.8 kJ/mol)
Beräkna entalpiförändringen (ΔH) för förbränningsreaktionen.
Diskussion:
Förbränningsreaktionen för metan är:
\[ CH_4 (g) + 2 O_2 (g) \högerpil CO_2 (g) + 2 H_2O (l) \]
Reaktionens entalpiförändring (ΔH) kan beräknas med hjälp av bildningsentalpin:
\[ \DeltaH = \Sigma \DeltaH_f \text{produkter} – \Sigma \DeltaH_f \text{reaktanter} \]
Produkt:
[ΔHf(CO₂(g)) = -393.5 kJ/mol]
[ΔHf(H₂O(l)) = -285.8 kJ/mol]
Total entalpi av produkter:
[(-393.5 kJ/mol) + 2 gånger (-285.8 kJ/mol) = -393.5 – 571.6 = -965.1 kJ/mol]
Reaktanter:
[ΔH₂(CH₄(g)) = -74.8 kJ/mol]
[ΔHf(O₂(g)) = 0 kJ/mol]
(Syre i sitt standardtillstånd har en bildningsentalpi på noll.)
Total entalpi av reaktanter:
[(-74.8 kJ/mol) + 2 gånger (0 kJ/mol) = -74.8 kJ/mol]
Så, förändringen i entalpi (ΔH) är:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} – (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
[ΔH = -890.3 kJ/mol]
Så är entalpiförändringen för förbränningen av 1 mol metan \(-890.3 \text{kJ/mol}\).
Exempelfråga 2: Entalpiförändringar i fysikaliska processer
Fråga:
Beräkna entalpiförändringen när 50 gram is (\(H_2O_{(s)}\)) vid 0 °C smälts till vatten (\(H_2O_{(l)}\)) vid 0 °C. Det är känt att isens smältvärme (\( ΔH_{\text{fus}} \)) är 6.01 kJ/mol och vattnets molmassa är 18 g/mol.
Diskussion:
Det första steget är att beräkna antalet mol is.
\[ \text{Mol is} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
Nästa steg är att beräkna entalpiförändringen för isens smältning:
\[ \ΔH = n \cdot \ΔH_{\text{fus}} \]
[ΔH = 2.78 mol ≈ 6.01 kJ/mol]
\[ ΔH \approx 16.7 \text{kJ} \]
Så entalpiförändringen när man smälter 50 gram is vid 0°C är cirka 16.7 kJ. Detta är en endoterm process eftersom isen absorberar värme och omvandlas till vatten.
Exempel 3: Hess-reaktion
Fråga:
Använd Hess lag för att bestämma entalpiförändringen för följande reaktion:
\[ 2 C(grafit) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Flera reaktioner är kända med sina respektive entalpiförändringar:
1. \( C(grafit) + O₂(g) \rightarrow CO₂(g), ΔH = -393.5 \text{kJ} \)
2. (H₂(g) + 1/2O₂(g) = H₂O(l), ΔH = -285.8 kJ)
3. (2 C₃H₆(g) + 7 O₂(g) = 4 CO₃(g) + 6 H₂O(l), ΔH = -3119.6 kJ)
Diskussion:
För att beräkna entalpiförändringen (ΔH) för reaktionen måste vi reversera och multiplicera några av reaktionerna för att matcha målreaktionen.
Steg:
1. Ändra reaktionen \(C_2H_6 \rightarrow 2CO_2 + 3 H_2O\):
\[2C_2H_6(g) + 7O_2(g) \högerpil 4 CO_2(g) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Omvända och dividera reaktioner:
\[ 4CO_2(g) + 6H_2O(l) \högerpil 2C_2H_6(g) + 7O_2(g), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Reaktion \(C \rightarrow CO_2\):
[4C(grafit) + 4O₂(g) = 4CO₂(g), ΔH = 4 × -393.5 = -1574 kJ]
3. Reaktion \(H_2\högerpil H_2O\):
\[ 6H_2(g) + 3O_2(g) \högerpil 6H_2O(l), \Delta H = 6 \ gånger -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Kombinera allt får vi:
\[2C(grafit) + 3H_2(g) \högerpil C_2H_6\]
[ΔH = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 kJ]
Så är entalpiförändringen för reaktionen mellan 2 mol grafit och 3 mol \(H_2\) till \(C_2H_6(g)\) -1729 kJ.
Att förstå begreppet entalpi och dess tillämpning på olika typer av reaktioner ger således insikt i hur energi är involverad i kemiska och fysikaliska förändringar. Problemen ovan är några exempel som ofta används i läroplanen för att förstärka förståelsen av dessa begrepp.
