Hesa likums: ΔH atrašana, saskaitot reakcijas

Kāpēc stāvokļa funkcija liek Hesa likumam darboties

Entalpija ir stāvokļa funkcija: tās vērtība ir atkarīga tikai no sistēmas pašreizējā stāvokļa, nevis no tā, kā sistēma tajā nonāca. Tāpēc izmaiņa ΔH starp sākuma un beigu stāvokli ir vienāda katram ceļam starp tiem. Augstums darbojas tāpat. Vai nu jūs kāpjat kalnā pa stāvu taku, vai pa garo serpentīnu, jūsu augstuma izmaiņa ir identiska.

Hesa likums izriet tieši. Ja reakciju var uzrakstīt kā divu vai vairāku soļu summu, tās ΔH ir soļu ΔH vērtību summa. Soļiem nav jānotiek patiesībā; tiem jābūt tikai derīgiem ķīmiskiem vienādojumiem, kuru entalpijas ir zināmas. Šī brīvība padara likumu noderīgu reakcijām, ko nevar tīri veikt kalorimetrā.

Trīs noteikumi termoķīmisko vienādojumu pārveidošanai

Katrs noteikums izriet no tā, ka ΔH ir ekstensīva stāvokļa funkcija. Procesa apgriešana atgriež sistēmu sākuma stāvoklī, tāpēc entalpijas izmaiņai jābūt vienādai un pretējai. Reakcijas daudzuma dubultošana dubulto iesaistīto enerģiju.

Pirms ko apvienojat, savu darbu sāciet ar mērķa vienādojumu. Tad dotajos vienādojumos atrodiet katru vielu, kas parādās tikai vienu reizi. Tās pozīcija un koeficients norāda, vai šis vienādojums jāapgriež un ar kādu reizinātāju jāreizina.

• Apgriežot vienādojumu, mainiet tā ΔH zīmi.
• Reizinot vienādojumu ar reizinātāju, tā ΔH reiziniet ar to pašu reizinātāju. Daļskaitļi, piemēram, ½, ir atļauti.
• Saskaitot vienādojumus, saskaitiet to ΔH vērtības. Daļiņas, kas parādās abās summas pusēs, saīsinās, bet tikai tad, ja to fizikālie stāvokļi sakrīt.

Risināts piemērs: divu vienādojumu apgriešana un saskaitīšana

Atrodiet ΔH° grafīta pārvēršanai dimantā, C(graphite) → C(diamond). Tiešai pārvēršanai vajadzīgs ārkārtīgi augsts spiediens, un to nevar veikt kalorimetrā, taču abas oglekļa formas deg. Izmantojiet (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ, un (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ. Pirmā vērtība ir no OpenStax Chemistry 2e G pielikuma; otra aprēķināta no tās pašas tabulas.

Grafīts ir reaģents (1) un mērķī, tāpēc saglabājiet (1). Dimants ir reaģents (2), bet produkts mērķī, tāpēc apgrieziet (2): CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. Saskaitot abus, O₂ un CO₂ katrā pusē parādās vienu reizi un saīsinās, atstājot tieši mērķi. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

Interpretējiet atbildi. Pozitīva zīme nozīmē, ka dimants entalpijas ziņā atrodas nedaudz augstāk nekā grafīts, kas atbilst tam, ka references forma ir grafīts, nevis dimants. Skaitļa mazais lielums atgādina, ka divu lielu, gandrīz vienādu vērtību atņemšana palielina to nenoteiktību.

Risināts piemērs: trīs vienādojumi un krustpārbaude

Atrodiet ΔH° hidrogenēšanai C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) no sadegšanas datiem. Izmantojiet (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; un (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ. Šīs sadegšanas vērtības aprēķinātas no G pielikuma veidošanās datiem, lai jūs tās varētu atveidot.

C₂H₄ un H₂ ir reaģenti gan mērķī, gan vienādojumos (1) un (2), tāpēc saglabājiet tos, kā uzrakstīts. C₂H₆ ir produkts mērķī, bet reaģents (3), tāpēc apgrieziet (3) un nomainiet tā zīmi uz +1560.5 kJ. Tagad uzskaitiet: skābeklis ir 3 + ½ = 7/2 O₂ kreisajā pusē un 7/2 O₂ labajā; oglekļa dioksīds ir 2 katrā pusē; ūdens ir 2 + 1 = 3 labajā pusē un 3 kreisajā. Viss saīsinās, izņemot mērķi. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ, norādīts ar vienu decimālzīmi, jo vismazāk precīzajām vērtībām tā ir viena.

Krustpārbaude ar veidošanās entalpijām: C₂H₆(g) ΔH°f ir −84.0 kJ/mol un C₂H₄(g) ir +52.4 kJ/mol, bet H₂(g) ir nulle, tāpēc ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Divi dažādi ceļi dod vienu un to pašu atbildi, un tieši to garantē stāvokļa funkcija.

Standarta veidošanās entalpijas un references stāvokļi

Standarta veidošanās entalpija ΔH°f ir entalpijas izmaiņa, kad viens mols savienojuma veidojas no tā elementiem, katrs savā references formā, standarta apstākļos. References forma ir stabilākā forma ar retiem izņēmumiem: fosforam izmanto balto P₄(s), ko G pielikums uzrāda kā nulli. IUPAC nosaka standarta spiedienu 1 bar; daudzās tabulās joprojām izmanto 1 atm, un lielākajā daļā entalpijas darbu atšķirība ir niecīga. Tabulētās vērtības parasti dotas 298.15 K temperatūrā.

Veidošanās vienādojums vienmēr rada tieši vienu molu produkta, tāpēc daļveida koeficienti ir normāli: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. Elementam, kas jau ir references formā, piemēram, O₂(g), H₂(g), grafītam vai šķidram bromam, ΔH°f pēc definīcijas ir nulle. Citas elementa formas nav nulle: G pielikums uzrāda dimantu ar +1.89 kJ/mol attiecībā pret grafītu.

ΔH°rxn aprēķināšana no veidošanās datiem

Jebkuru reakciju var iedomāties kā divus soļus: sadalīt reaģentus to elementos, tad no šiem elementiem uzbūvēt produktus. Pirmais solis ir reaģentu veidošanās reakciju apgrieztā reakcija, bet otrs ir produktu veidošanās reakcijas. Tas dod darba formulu ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(products) − Σ m ΔH°f(reactants), kur n un m ir koeficienti izlīdzinātajā vienādojumā.

Risināts piemērs. Atrodiet ΔH° reakcijai 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g), hidrazīna reakcijai, kādu izmanto dažos raķešu dzinējos. No G pielikuma: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol un N₂(g) 0. Produkti: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. Reaģenti: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ, norādīts ar vienu decimālzīmi, jo 11.1 ir viena. Tas ir −539.8 kJ uz hidrazīna molu.

Ūdens stāvoklim ir nozīme. Ja vienādojums radītu šķidru ūdeni, izmantojot −285.83 kJ/mol, atbilde būtu −1255.7 kJ. Atšķirība ir četras reizes lielāka par entalpiju, kas izdalās, kad ūdens tvaika mols kondensējas.

Kļūdas, kas sabojā Hesa likuma aprēķinu

Lielākā daļa kļūdu šajos uzdevumos ir uzskaites kļūdas, un rakstiska katras daļiņas uzskaite pamana gandrīz visas. Ja saīsināšana precīzi neatveido mērķi, kāds vienādojums ir apgriezts vai pareizināts nepareizi.

Otra pārbaude ir novērtēt zīmi. Sadegšana un lielākās daļas stabilo savienojumu veidošanās ir eksotermiska, tāpēc pozitīva atbilde degvielas sadedzināšanai norāda uz apgrieztu soli.

• Vienādojuma apgriešana, nemainot tā ΔH zīmi.
• Vienādojuma reizināšana ar 2 vai ½, atstājot ΔH nemainītu.
• Atņemšana nepareizā secībā: formula ir produkti mīnus reaģenti.
• Koeficientu aizmiršana, summējot veidošanās entalpijas.
• ΔH°f lietošana nepareizam stāvoklim, piemēram, H₂O(g), kad vienādojumā ir H₂O(l).
• Elementam references formā piešķirts ΔH°f, kas nav nulle, vai savienojumam piešķirta nulle.