Намунаҳои саволҳо дар бораи энталпия ва тағйироти энталпия
Энтальпия як мафҳуми калидӣ дар термодинамикаи химиявӣ мебошад, ки дар мавзӯъҳои гуногуни химия, аз реаксияҳои химиявӣ то тағирёбии фазаҳо, зуд-зуд дучор мешавад. Дар ин мақола, мо якчанд масъалаҳои мисолиро баррасӣ мекунем ва энтальпия ва тағирёбии энтальпияро муҳокима хоҳем кард, то ба мо дар фаҳмидани беҳтари ин мафҳум кумак кунад.
Фаҳмидани энталпия
Энтальпия (H) миқдори умумии энергия дар системаи термодинамикӣ мебошад. Он на танҳо энергияи дохилии дар зарраҳо нигоҳдошташударо, балки энергияеро низ дар бар мегирад, ки барои эҷоди фазо барои зарраҳо дар муҳити фишори додашуда зарур аст. Энтальпия дар Системаи Байналмилалӣ (SI) бо ҷоулҳо (J) чен карда мешавад.
Аз ҷиҳати математикӣ, энтальпия чунин муайян карда мешавад:
\[ H = U + PV \]
ди мана:
– \( H \) энтальпия аст
– \( U \) энергияи дохилӣ аст
– \( P \) фишор аст
– \( V \) ҳаҷм аст
Тағйирёбии энтальпия
Тағйирёбии энтальпия (\( \Delta H \)) ҳангоми рух додани реаксияи кимиёвӣ ё раванди физикӣ ба амал меояд. Ин тағйироти энтальпияро метавон ҳамчун миқдори гармии хориҷшуда ё ҷаббидашуда аз ҷониби система дар фишори доимӣ муайян кард. Аз ҷиҳати математикӣ:
\[ \Delta H = H_{\text{product}} – H_{\text{reactant}} \]
Реаксияҳои экзотермӣ реаксияҳое мебошанд, ки гармиро ба муҳит хориҷ мекунанд ва дар ин реаксияҳо, (ДелтаН) манфӣ аст. Дар айни замон, реаксияи эндотермӣ реаксияест, ки гармиро аз муҳит ҷаббида мегирад ва дар ин реаксия, (ДелтаН) арзиши мусбат дорад.
Намунаҳои саволҳо ва муҳокима
Намунаи саволи 1: Тағйирёбии энтальпияи сӯзиш
Савол:
Маълум аст, ки сӯхтани пурраи 1 мол метан (\(CH_4\)) гази карбон (\(CO_2\)) ва об (\(H_2O\)) ба вуҷуд меояд. Энтальпияи маълумоти ташаккулёбӣ чунин аст:
– \( \Делта H_{{f, H_2O (l)}} = -285.8 \text{kJ/mol} \)
– \( \Делта H_{{f, CO_2 (g)}} = -393.5 \text{kJ/mol} \)
– \( \Делта H_{{f, CH_4 (g)}} = -74.8 \text{kJ/mol} \)
Тағйирёбии энтальпия (\( \Delta H \))-и реаксияи сӯзишро ҳисоб кунед.
Муҳокима:
Реаксияи сӯхтани метан чунин аст:
\[ CH_4 (г) + 2 O_2 (г) \рост CO_2 (г) + 2 H_2O (л) \]
Тағйирёбии энтальпияи реаксия (\( \Delta H \))-ро бо истифода аз энтальпияи ташаккулёбӣ ҳисоб кардан мумкин аст:
\[ \Delta H = \Sigma \Delta H_f \матн{маҳсулот} – \Sigma \Delta H_f \матн{реактивҳо} \]
Маҳсулот:
\[ \Делта H_f (CO_2 (г)) = -393.5 \text{kJ/mol} \]
\[ \Делта H_f (H_2O (л)) = -285.8 \text{kJ/mol} \]
Энтальпияи умумии маҳсулот:
\[ (-393.5 \text{kJ/mol}) + 2\times(-285.8 \text{kJ/mol}) = -393.5 – 571.6 = -965.1 \text{kJ/mol} \]
Реактивҳо:
\[ \Делта H_f (CH_4 (г)) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
\[ \Делта H_f (O_2 (g)) = 0 \text{kJ/mol} \]
(Оксиген дар ҳолати стандартии худ энталпияи ташаккулёбӣ ба сифр баробар аст.)
Энтальпияи умумии реактивҳо:
\[ (-74.8 \text{kJ/mol}) + 2\times(0 \text{kJ/mol}) = -74.8 \text{kJ/mol} \]
Пас, тағирёбии энтальпия (\( \Delta H \)) чунин аст:
\[ \Delta H = -965.1 \text{kJ/mol} - (-74.8 \text{kJ/mol}) \]
\[ \Delta H = -965.1 + 74.8 \]
\[ \Делта H = -890.3 \text{kJ/mol} \]
Пас, тағирёбии энтальпия ҳангоми сӯзиши 1 мол метан \(-890.3 \text{kJ/mol}\) аст.
Намунаи саволи 2: Тағйироти энтальпия дар равандҳои физикӣ
Савол:
Тағйироти энталпияро ҳангоми об шудани 50 грамм ях (\(H_2O_{(s)}) дар 0°C ба об (\(H_2O_{(l)}) дар 0°C ҳисоб кунед. Маълум аст, ки гармии обшавии ях (\( \Delta H_{\text{fus}} \)) 6.01 кҶ/мол ва массаи молярии об 18 г/мол аст.
Муҳокима:
Қадами аввал ҳисоб кардани шумораи молҳои ях аст.
\[ \text{Молҳои ях} = \frac{50 \text{g}}{18 \text{g/mol}} \approx 2.78 \text{mol} \]
Сипас, мо тағирёбии энталпияро ҳангоми обшавии ях ҳисоб мекунем:
\[ \Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{fus}} \]
\[ \Делта H = 2.78 \матн{мол} \cdot 6.01 \матн{кҶ/мол} \]
\[ \Делта H \тақрибан 16.7 \text{kJ} \]
Пас, тағирёбии энтальпия ҳангоми об шудани 50 грамм ях дар 0°C тақрибан 16.7 кҶ аст. Ин як раванди эндотермӣ аст, зеро ях гармиро ҷаббида, ба об табдил меёбад.
Мисоли 3: Реаксияи Гесс
Савол:
Қонуни Гессро барои муайян кардани тағирёбии энтальпия барои реаксияи зерин истифода баред:
\[ 2 C(графит) + 3 H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g) \]
Якчанд реаксияҳо бо тағйироти мувофиқи энтальпияи онҳо маълуманд:
1. \( C(графит) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g), \Delta H = -393.5 \text{kJ} \)
2. \( H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l), \Delta H = -285.8 \text{kJ} \)
3. \( 2 C_2H_6(g) + 7 O_2(g) \rightarrow 4 CO_2(g) + 6 H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ} \)
Муҳокима:
Барои ҳисоб кардани тағирёбии энтальпия (\( \Delta H \))-и реаксия, мо бояд баъзе аз реаксияҳоро баръакс ва зарб кунем, то бо реаксияи мақсаднок мувофиқат кунем.
Лангка-лангка:
1. Реаксияи \(C_2H_6 \rightarrow 2 CO_2 + 3 H_2O\)-ро тағйир диҳед:
\[2C_2H_6(г) + 7O_2(г) \тирчаи рост 4 CO_2(г) + 6H_2O(l), \Delta H = -3119.6 \text{kJ}\]
Реаксияҳои баръакс ва тақсим:
\[ 4CO_2(г) + 6H_2O(l) \тирчаи рост 2C_2H_6(г) + 7O_2(г), \Delta H = 3119.6/2 = 1559.8 \text{kJ} \]
2. Реаксия \(C \rightarrow CO_2\):
\[ 4C(графит) + 4O_2(g) \rightarrow 4CO_2(g), \Delta H = 4 \times -393.5 = -1574 \text{kJ} \]
3. Реаксия \(H_2\rightarrow H_2O\):
\[ 6H_2(г) + 3O_2(г) \тирчаи рост 6H_2O(l), \Delta H = 6 \марта -285.8 = -1714.8 \text{kJ} \]
Бо якҷоя кардани ҳамаи ин, мо ба даст меорем:
\[2C(графит) + 3H_2(г) \тирчаи рост C_2H_6\]
\[ \Делта H = 1559.8 – 1574 – 1714.8 = -1729 \text{kJ}\]
Пас, тағйироти энтальпия дар реаксияи 2 мол графит ва 3 мол графит ба 1729 кҶ аст.
Ҳамин тариқ, фаҳмидани мафҳуми энтальпия ва татбиқи он ба намудҳои гуногуни реаксияҳо имкон медиҳад, ки дарки он ки энергия дар тағйироти кимиёвӣ ва физикӣ чӣ гуна иштирок мекунад, таъмин карда шавад. Масъалаҳои дар боло овардашуда баъзе мисолҳое мебошанд, ки зуд-зуд дар барномаи таълимӣ барои тақвияти фаҳмиши ин мафҳумҳо истифода мешаванд.
