Batas ni Hess: Paghahanap ng ΔH sa Pamamagitan ng Pagdaragdag ng mga Reaksyon

Bakit gumagana ang batas ni Hess dahil sa state function

Ang enthalpy ay isang state function: nakadepende lang ang halaga nito sa kasalukuyang estado ng system, hindi sa kung paano nakarating dito ang system. Kaya ang pagbabagong ΔH sa pagitan ng panimulang estado at huling estado ay pareho sa bawat ruta sa pagitan nila. Ganoon din ang elevation. Umakyat ka man sa burol sa matarik na landas o sa mahabang paikot-ikot na daan, magkapareho ang pagbabago ng taas mo.

Direktang sumusunod ang batas ni Hess. Kung ang isang reaksyon ay maisusulat bilang kabuuan ng dalawa o higit pang hakbang, ang ΔH nito ay ang kabuuan ng mga halaga ng ΔH ng mga hakbang. Hindi kailangang mangyari ang mga hakbang sa totoong buhay; kailangan lang na wastong chemical equation ang mga ito na kilala ang enthalpy. Ang kalayaang iyon ang dahilan kung bakit kapaki-pakinabang ang batas para sa mga reaksyong hindi mo mapatakbo nang malinis sa calorimeter.

Tatlong tuntunin sa pag-aayos ng mga thermochemical equation

Sumusunod ang bawat tuntunin mula sa katotohanang ang ΔH ay extensive na state function. Ibinabalik ng pagbabaligtad sa proseso ang system sa panimulang estado nito, kaya ang pagbabago ng enthalpy ay dapat magkapantay at magkasalungat. Ang pagdoble sa dami ng reaksyon ay nagdodoble sa enerhiyang kasangkot.

Bago magsama ng anuman, isulat ang target na equation sa tuktok ng gawa mo. Pagkatapos, hanapin sa mga ibinigay na equation ang bawat substansiyang minsan lang lumalabas. Sinasabi ng posisyon at koepisyent nito kung dapat bang baligtarin ang equation na iyon at sa anong factor ito dapat i-multiply.

• Baligtarin ang equation at babaguhin mo ang tanda ng ΔH nito.
• I-multiply ang equation sa isang factor at imu-multiply mo ang ΔH nito sa parehong factor. Pinahihintulutan ang mga praksyon tulad ng ½.
• Pagsamahin ang mga equation at pagsasamahin mo ang kanilang mga halaga ng ΔH. Nagkakansela ang mga species na lumalabas sa magkabilang panig ng kabuuan, ngunit kung magkatugma lang ang mga pisikal na estado nila.

Halimbawang may solusyon: pagbabaligtad at pagsasama ng dalawang equation

Hanapin ang ΔH° para sa pag-convert ng graphite sa diamond, C(graphite) → C(diamond). Ang direktang conversion ay nangangailangan ng matinding presyon at hindi mapapatakbo sa calorimeter, ngunit nasusunog ang parehong anyo ng carbon. Gamitin ang (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ, at (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ. Ang unang halaga ay mula sa OpenStax Chemistry 2e Appendix G; ang ikalawa ay kinalkula mula sa parehong table.

Ang graphite ay reactant sa (1) at sa target, kaya panatilihin ang (1). Ang diamond ay reactant sa (2) ngunit produkto sa target, kaya baligtarin ang (2): CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. Sa pagsasama ng dalawa, ang O₂ at CO₂ ay lumalabas nang isang beses sa bawat panig at nagkakansela, na nag-iiwan ng eksaktong target. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

Unawain ang sagot. Ang positibong tanda ay nangangahulugang bahagyang mas mataas ang enthalpy ng diamond kaysa sa graphite, na tugma sa graphite, hindi diamond, bilang reference na anyo ng carbon. Ang maliit na laki ng numero ay paalala na ang pagbabawas ng dalawang malaki at halos magkapantay na halaga ay nagpapalaki sa kawalang-katiyakan ng mga ito.

Halimbawang may solusyon: tatlong equation at cross-check

Hanapin ang ΔH° para sa hydrogenation na C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) mula sa datos ng combustion. Gamitin ang (1) C₂H₄(g) + 3 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 2 H₂O(l), ΔH° = −1411.1 kJ; (2) H₂(g) + ½ O₂(g) → H₂O(l), ΔH° = −285.83 kJ; at (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ. Kinalkula ang mga halaga ng combustion na ito mula sa datos ng formation sa Appendix G para magawa mo itong muli.

Ang C₂H₄ at H₂ ay mga reactant sa target at sa mga equation (1) at (2), kaya panatilihin ang mga iyon ayon sa pagkakasulat. Ang C₂H₆ ay produkto sa target ngunit reactant sa (3), kaya baligtarin ang (3) at gawing +1560.5 kJ ang tanda nito. Ngayon ay mag-tally: ang oxygen ay 3 + ½ = 7/2 O₂ sa kaliwa at 7/2 O₂ sa kanan; ang carbon dioxide ay 2 sa bawat panig; ang tubig ay 2 + 1 = 3 sa kanan at 3 sa kaliwa. Nagkakansela ang lahat maliban sa target. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ, na iuulat hanggang isang decimal place dahil isa ang decimal place ng mga halagang pinakamababa ang presisyon.

Cross-check gamit ang mga formation enthalpy: ang ΔH°f ng C₂H₆(g) ay −84.0 kJ/mol at ng C₂H₄(g) ay +52.4 kJ/mol, at zero ang H₂(g), kaya ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Dalawang magkaibang ruta ang nagbibigay ng parehong sagot, na eksaktong garantiya ng isang state function.

Mga standard enthalpy of formation at mga reference state

Ang standard enthalpy of formation, ΔH°f, ay ang pagbabago ng enthalpy kapag nabuo ang isang mole ng compound mula sa mga elemento nito, bawat isa sa reference na anyo nito, sa standard na kondisyon. Ang reference na anyo ay ang pinakamatatag na anyo maliban sa bihirang eksepsyon: gumagamit ang phosphorus ng white P₄(s), na inililista ng Appendix G sa zero. Itinatakda ng IUPAC ang standard pressure sa 1 bar; maraming table ang gumagamit pa rin ng 1 atm, at bale-wala ang pagkakaiba para sa karamihan ng gawaing enthalpy. Karaniwang ibinibigay ang mga nakatalang halaga sa 298.15 K.

Ang formation equation ay laging gumagawa ng eksaktong isang mole ng produkto, kaya normal ang mga praksyonal na koepisyent: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. Para sa elementong nasa reference na anyo na, tulad ng O₂(g), H₂(g), graphite, o likidong bromine, zero ang ΔH°f ayon sa depinisyon. Hindi zero ang ibang anyo ng elemento: inililista ng Appendix G ang diamond sa +1.89 kJ/mol kumpara sa graphite.

Pagkalkula ng ΔH°rxn mula sa datos ng formation

Maaaring isipin ang anumang reaksyon bilang dalawang hakbang: wasakin ang mga reactant tungo sa mga elemento nila, saka buuin ang mga produkto mula sa mga elementong iyon. Ang unang hakbang ay ang kabaligtaran ng mga reaksyon ng formation ng mga reactant at ang ikalawa ay ang mga reaksyon ng formation ng mga produkto. Nagbibigay ito ng gumaganang formula na ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(products) − Σ m ΔH°f(reactants), kung saan ang n at m ay mga koepisyent sa balanseng equation.

Halimbawang may solusyon. Hanapin ang ΔH° para sa 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g), isang reaksyon ng hydrazine na ginagamit sa ilang makina ng rocket. Mula sa Appendix G: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol, at N₂(g) 0. Mga produkto: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. Mga reactant: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ, na iuulat hanggang isang decimal place dahil isa ang decimal place ng 11.1. Iyan ay −539.8 kJ bawat mole ng hydrazine.

Mahalaga ang estado ng tubig. Kung likidong tubig ang nagawa ng equation, gamit ang −285.83 kJ/mol, ang sagot ay −1255.7 kJ. Ang pagkakaiba ay apat na beses ang enthalpy na inilalabas kapag nagkokondensa ang isang mole ng singaw ng tubig.

Mga error na sumisira sa kalkulasyon ng batas ni Hess

Karamihan sa mga error sa mga problemang ito ay mga error sa pagtatala, at ang nakasulat na tally ng bawat species ay nakakahuli ng halos lahat. Kapag hindi eksaktong nagagawa muli ng pagkakansela ang target, may equation na mali ang pagkakabaligtad o pag-scale.

Ang ikalawang pagsusuri ay tantiyahin ang tanda. Exothermic ang mga combustion at ang pagbuo ng karamihan ng matatag na compound, kaya ang positibong sagot sa pagsunog ng panggatong ay hudyat ng baligtad na hakbang.

• Pagbabaligtad ng equation nang hindi binabago ang tanda ng ΔH nito.
• Pag-multiply ng equation sa 2 o ½ ngunit iniiwang hindi nagbabago ang ΔH nito.
• Pagbabawas sa maling pagkakasunod-sunod: ang formula ay mga produkto binawasan ng mga reactant.
• Pagkalimot sa mga koepisyent kapag pinagsasama ang mga formation enthalpy.
• Paggamit ng ΔH°f para sa maling estado, tulad ng H₂O(g) kapag H₂O(l) ang nasa equation.
• Pagbibigay sa elementong nasa reference na anyo ng ΔH°f na hindi zero, o pagbibigay ng zero sa compound.