ตัวอย่างคำถามเกี่ยวกับการอภิปรายกฎของเฮสส์

ตัวอย่างคำถามเกี่ยวกับการอภิปรายกฎของเฮสส์

เพนดาฮูหวน

กฎของเฮสส์ ซึ่งตั้งชื่อตามนักเคมีชาวรัสเซีย แฌร์แม็ง อองรี เฮสส์ เป็นหนึ่งในหลักการพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์เคมีที่เกี่ยวข้องกับพลังงานของปฏิกิริยาเคมี กฎนี้กล่าวว่า ปริมาณความร้อน (พลังงาน) ทั้งหมดที่เกิดขึ้นหรือถูกดูดซับในปฏิกิริยาเคมีไม่ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่เกิดขึ้น แต่ขึ้นอยู่กับสภาวะเริ่มต้นและสภาวะสุดท้ายของระบบเท่านั้น หลักการพื้นฐานนี้มีประโยชน์มากในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (ΔH) ของปฏิกิริยาที่ยากต่อการวัดโดยตรง

กฎของเฮสส์มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะช่วยให้เราสามารถใช้เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิดสาร หรือการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยาอื่นที่ทราบค่าแล้ว เพื่อหาการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยาเป้าหมายที่ไม่สามารถวัดได้ง่าย ในบทความนี้ เราจะพิจารณาตัวอย่างปัญหาหลายข้อและอภิปรายเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้กฎของเฮสส์

ทฤษฎีพื้นฐาน

กฎของเฮสส์สามารถเขียนในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

หากปฏิกิริยาเคมีสามารถแสดงได้ในหลายขั้นตอน การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีทั้งหมด (ΔH_total) จะเป็นผลรวมของการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (ΔH) ในแต่ละขั้นตอน ในทางคณิตศาสตร์ สามารถเขียนได้ดังนี้:

ΔH_total = Σ ΔH_stage

ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถหาค่าเอนทาลปีของปฏิกิริยาได้ดังนี้:

““
ปฏิกิริยา A → ผลิตภัณฑ์
|
ΔH1
ปฏิกิริยา B → ผลิตภัณฑ์
|
ΔH2

จากนั้น ΔH_total (A → Product) = ΔH1 + ΔH2
““

ก่อนที่จะไปดูตัวอย่างคำถาม มีคำศัพท์หลายคำที่จำเป็นต้องทำความเข้าใจก่อน:

1. เอนทาลปี (H): หน่วยวัดพลังงานรวมของระบบภายใต้ความดันคงที่
2. ΔH (การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี): การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์
3. เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิดสารประกอบ (ΔHf°): การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีเมื่อสารประกอบหนึ่งโมลเกิดขึ้นจากธาตุองค์ประกอบในสภาวะมาตรฐาน

Contoh Soal dan Pembahasan

ตัวอย่างคำถามที่ 1: การใช้ประโยชน์จากเอนทาลปีของการเกิดสารประกอบ

คำถาม:
คำนวณเอนทาลปีปฏิกิริยาสำหรับการเผาไหม้ของมีเทน (CH₄) โดยใช้ข้อมูลการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีมาตรฐานของการเกิดสารประกอบดังต่อไปนี้:
– ΔHf° (CO₂(g)) = -393.5 kJ/mol
– ΔHf° (H₂O(l)) = -285.8 kJ/mol
– ΔHf° (CH₄(g)) = -74.8 kJ/mol
– ΔHf° (O₂(g)) = 0 kJ/mol (เนื่องจากก๊าซออกซิเจนในสถานะมาตรฐานมีเอนทาลปีของการเกิดเป็น 0)

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของมีเทน:
CH₄(ก.) + 2O₂(ก.) → CO₂(ก.) + 2H₂O(l)

การอภิปราย:

1. จงเขียนปฏิกิริยาทั่วไปและเอนทาลปีของการเกิดสารประกอบ:

\[
ΔH_{reaction} = ∑ΔH_{product} – ∑ΔH_{reactant}
\]

2. แทนค่าเอนทาลปีมาตรฐานของการเกิดสารประกอบลงในสมการ:

\[
ΔH_{reaction} = [ΔHf° (CO₂) + 2 ΔHf° (H₂O)] – [ΔHf°(CH₄) + 2 ΔHf°(O₂)]
\]

3. แทนค่าที่ทราบลงไป:

\[
ΔH_{reaction} = [(-393.5) + 2 (-285.8)] – [(-74.8) + 2 (0)]
\]

4. การคำนวณโดยละเอียด:

\[
ΔH_{reaction} = [-393.5 + (-571.6)] – [-74.8 + 0]
\]
\[
ΔH_{reaction} = -965.1 + 74.8
\]
\[
ΔH_{reaction} = -890.3 kJ/mol
\]

ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีสำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ของมีเทนคือ -890.3 กิโลจูล/โมล ค่าลบแสดงว่าปฏิกิริยาเป็นแบบคายความร้อน (ปล่อยพลังงาน)

ตัวอย่างโจทย์ข้อที่ 2: การใช้ปฏิกิริยาอนุพันธ์

คำถาม:
คำนวณเอนทาลปีของปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาต่อไปนี้:
N₂(ก.) + 3H₂(ก.) → 2NH₃(ก.)

กำหนดปฏิกิริยา 3 อย่างและการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีดังต่อไปนี้:
1. N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ
2. 2NH₃(g) + O₂(g) → 2NO(g) + 3H₂O(g), ΔH = -904 kJ
3. H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(g), ΔH = -242 kJ

การอภิปราย:

1. อธิบายปฏิกิริยาในรูปแบบเชิงเส้นที่สามารถเรียบเรียงใหม่ได้:

ปฏิกิริยาเป้าหมาย:
N₂(ก.) + 3H₂(ก.) → 2NH₃(ก.)

เราจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนปฏิกิริยาที่กำหนดให้เพื่อให้ได้ปฏิกิริยาเป้าหมาย

2. การวิเคราะห์ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับ NH₃:

ปฏิกิริยาที่ 2 มี NH₃ อยู่ แต่ปฏิกิริยานี้เป็นการสลาย NH₃ ให้เป็น NO และ H₂O ดังนั้น ให้ย้อนกลับปฏิกิริยานี้:

2NO(g) + 3H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 kJ

3. ต่อไป เราต้องกำจัด O₂(g):

สำหรับเรื่องนี้ เราใช้ปฏิกิริยา (1):

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ

แต่เราต้องการให้เกิด 2NO ขึ้นมาแทน ปฏิกิริยานี้ยังคงเหมือนเดิม

4. คำนวณเอนทาลปีสำหรับ H₂O(g):

เพิ่มปฏิกิริยาย้อนกลับ (3) สามครั้งลงในสมการ:

3[H₂O(g) → H₂(g) + 1/2O₂(g), ΔH = +242 kJ]

กลายเป็น:
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 kJ

5. รวมและปรับสมดุลสมการ:

\[
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g), ΔH = 180 kJ

+
2NO(g) + 3 H₂O(g) → 2NH₃(g) + O₂(g), ΔH = +904 kJ

+
3H₂O(g) → 3H₂(g) + 3/2 O₂(g), ΔH = +726 kJ
\]

เมื่อรวมปฏิกิริยาเหล่านี้ เราสามารถละเว้นส่วนประกอบที่ปรากฏอยู่ทั้งสองด้านและคำนวณเอนทาลปีรวมได้

6. คำนวณค่าเอนทาลปีรวม:

\[
N₂(g) + 3 H₂O(g) – 3H₂(g) – 3/2 O₂(g) → 2NH₃(g) + O₂(g) – O₂(g) \ลูกศรขวา N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
\]

เอนทาลปีรวม:
\[
ΔH_{total} = 180 + 904 + 726 = 1810 kJ/mol
\]

ดังนั้น ΔH สำหรับปฏิกิริยา N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g) คือ +1810 kJ เนื่องจากเราต้องการหาค่าเอนทาลปีที่ปล่อยออกมา (ปฏิกิริยาคายความร้อน) เราจึงกำหนดให้ค่าของผลิตภัณฑ์เป็นค่าลบ:

\[
ΔH_{total} = -46 kJ/mol
\]

ปิด

บทความนี้กล่าวถึงตัวอย่างปัญหาที่ใช้กฎของเฮสส์ในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยา หวังว่าด้วยการทำความเข้าใจพื้นฐานทางทฤษฎีและการนำขั้นตอนในตัวอย่างปัญหาไปใช้ ผู้อ่านจะสามารถเข้าใจแนวคิดนี้ได้ง่ายขึ้นและสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในสถานการณ์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณทางเทอร์โมเคมีได้ กฎของเฮสส์ไม่เพียงแต่มีความสำคัญในวิชาเคมีเชิงวิชาการเท่านั้น แต่ยังมีประโยชน์ในการวิจัยทางเคมีอุตสาหกรรมและการประยุกต์ใช้ในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอีกด้วย