Heso dėsnis: ΔH radimas sudedant reakcijas

Kodėl būsenos funkcija leidžia veikti Heso dėsniui

Entalpija yra būsenos funkcija: jos vertė priklauso tik nuo dabartinės sistemos būsenos, o ne nuo to, kaip sistema į ją pateko. Todėl pokytis ΔH tarp pradinės ir galutinės būsenos yra tas pats bet kuriam keliui tarp jų. Aukštis veikia taip pat. Kad ir užkoptumėte į kalvą stačiu taku ar ilgais serpantinais, jūsų aukščio pokytis yra tas pats.

Heso dėsnis išplaukia tiesiogiai. Jei reakciją galima užrašyti kaip dviejų ar daugiau žingsnių sumą, jos ΔH yra tų žingsnių ΔH verčių suma. Žingsniai realybėje neturi vykti; jie tik turi būti galiojančios cheminės lygtys, kurių entalpijos žinomos. Būtent ši laisvė suteikia dėsniui naudos reakcijoms, kurių negalima švariai atlikti kalorimetre.

Trys termocheminių lygčių tvarkymo taisyklės

Kiekviena taisyklė išplaukia iš to, kad ΔH yra ekstensyvioji būsenos funkcija. Apvertus procesą, sistema grįžta į pradinę būseną, todėl entalpijos pokytis turi būti lygus ir priešingas. Padvigubinus reakcijos kiekį, padvigubėja ir dalyvaujanti energija.

Prieš ką nors derindami, savo darbo viršuje užrašykite tikslinę lygtį. Tada duotose lygtyse suraskite kiekvieną medžiagą, kuri pasirodo tik vieną kartą. Jos padėtis ir koeficientas parodo, ar ta lygtis turi būti apversta ir iš kokio daugiklio ji turi būti padauginta.

• Apverskite lygtį ir pakeisite jos ΔH ženklą.
• Padauginkite lygtį iš daugiklio ir tą patį daugiklį taikysite jos ΔH. Trupmenos, tokios kaip ½, leidžiamos.
• Sudėkite lygtis ir sudėsite jų ΔH vertes. Dalelės, esančios abiejose sumos pusėse, susiprastina, bet tik jei jų fizikinės būsenos sutampa.

Išspręstas pavyzdys: dviejų lygčių apvertimas ir sudėtis

Raskite ΔH° grafito virsmui deimantu, C(graphite) → C(diamond). Tiesioginiam virsmui reikia ypatingo slėgio, ir jo negalima atlikti kalorimetre, bet abi anglies formos dega. Naudokite (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ, ir (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ. Pirmoji vertė paimta iš OpenStax Chemistry 2e G priedo; antroji apskaičiuota iš tos pačios lentelės.

Grafitas yra reagentas (1) ir tikslinėje lygtyje, todėl (1) palikite. Deimantas yra reagentas (2), bet produktas tikslinėje lygtyje, todėl (2) apverskite: CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. Sudėjus abi, O₂ ir CO₂ pasirodo po kartą kiekvienoje pusėje ir susiprastina, palikdami lygiai tikslinę lygtį. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

Išaiškinkite atsakymą. Teigiamas ženklas reiškia, kad deimantas yra šiek tiek aukštesnės entalpijos nei grafitas, o tai atitinka tai, kad atskaitos anglies forma yra grafitas, o ne deimantas. Mažas skaičius primena, kad atėmus dvi dideles, beveik lygias vertes, padidėja jų neapibrėžtis.

Išspręstas pavyzdys: trys lygtys ir kryžminė patikra

Raskite ΔH° hidrinimui C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) pagal degimo duomenis. Naudokite (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; ir (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ. Šios degimo vertės apskaičiuotos iš G priedo susidarymo duomenų, kad galėtumėte jas atkurti.

C₂H₄ ir H₂ yra reagentai ir tikslinėje lygtyje, ir (1) bei (2) lygtyse, todėl jas palikite, kaip užrašyta. C₂H₆ yra produktas tikslinėje lygtyje, bet reagentas (3), todėl (3) apverskite ir pakeiskite jos ženklą į +1560.5 kJ. Dabar suveskite: deguonis yra 3 + ½ = 7/2 O₂ kairėje ir 7/2 O₂ dešinėje; anglies dioksidas yra 2 kiekvienoje pusėje; vanduo yra 2 + 1 = 3 dešinėje ir 3 kairėje. Viskas susiprastina, išskyrus tikslinę lygtį. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ, nurodoma iki vienos dešimtosios, nes mažiausiai tikslios vertės turi vieną.

Kryžminė patikra su susidarymo entalpijomis: C₂H₆(g) ΔH°f yra −84.0 kJ/mol, C₂H₄(g) yra +52.4 kJ/mol, o H₂(g) yra nulis, taigi ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Du skirtingi keliai duoda tą patį atsakymą, būtent tai garantuoja būsenos funkcija.

Standartinės susidarymo entalpijos ir atskaitos būsenos

Standartinė susidarymo entalpija, ΔH°f, yra entalpijos pokytis, kai vienas molis junginio susidaro iš savo elementų, kiekvieno atskaitos formos, standartinėmis sąlygomis. Atskaitos forma yra stabiliausia forma, su retomis išimtimis: fosforui naudojamas baltasis P₄(s), kurį G priedas pateikia lygų nuliui. IUPAC standartinį slėgį nustato 1 bar; daugelyje lentelių vis dar naudojamas 1 atm, o skirtumas daugumai entalpijos darbų yra nereikšmingas. Lentelių vertės paprastai pateikiamos 298.15 K temperatūroje.

Susidarymo lygtis visada sudaro lygiai vieną molį produkto, todėl trupmeniniai koeficientai yra įprasti: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. Elementui, jau esančiam atskaitos formoje, pavyzdžiui, O₂(g), H₂(g), grafitui ar skystam bromui, ΔH°f pagal apibrėžimą yra nulis. Kitos elemento formos nelygios nuliui: G priedas pateikia deimantą +1.89 kJ/mol, palyginti su grafitu.

ΔH°rxn apskaičiavimas pagal susidarymo duomenis

Bet kurią reakciją galima įsivaizduoti kaip du žingsnius: reagentus suskaidyti į jų elementus, tada iš tų elementų sudaryti produktus. Pirmasis žingsnis yra reagentų susidarymo reakcijų atvirkštinė reakcija, o antrasis – produktų susidarymo reakcijos. Taip gaunama darbinė formulė ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(products) − Σ m ΔH°f(reactants), kur n ir m yra koeficientai suderintoje lygtyje.

Išspręstas pavyzdys. Raskite ΔH° 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g), hidrazino reakcijai, kokia naudojama kai kuriuose raketų varikliuose. Iš G priedo: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol ir N₂(g) 0. Produktai: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. Reagentai: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ, nurodoma iki vienos dešimtosios, nes 11.1 turi vieną. Tai yra −539.8 kJ vienam hidrazino moliui.

Vandens būsena svarbi. Jei lygtis sudarytų skystą vandenį, naudojant −285.83 kJ/mol, atsakymas būtų −1255.7 kJ. Skirtumas yra keturis kartus didesnis už entalpiją, išsiskiriančią vandens garų moliui kondensuojantis.

Klaidos, gadinančios Heso dėsnio skaičiavimą

Dauguma šių uždavinių klaidų yra apskaitos klaidos, o užrašyta kiekvienos dalelės suvestinė pastebi beveik visas. Kai susiprastinimas lygiai neatkuria tikslinės lygties, lygtis buvo neteisingai apversta ar padauginta.

Antra patikra yra ženklo įvertinimas. Degimas ir daugumos stabilių junginių susidarymas yra egzoterminiai, todėl teigiamas atsakymas kuro degimui rodo apverstą žingsnį.

• Lygties apvertimas nepakeitus jos ΔH ženklo.
• Lygties padauginimas iš 2 ar ½, bet jos ΔH palikimas nepakeitus.
• Atėmimas netinkama tvarka: formulė yra produktai minus reagentai.
• Koeficientų pamiršimas sumuojant susidarymo entalpijas.
• ΔH°f naudojimas netinkamai būsenai, pavyzdžiui, H₂O(g), kai lygtyje yra H₂O(l).
• Elementui atskaitos formoje suteikimas nenulinės ΔH°f arba junginiui suteikimas nulio.