Hukum Hess: Mencari ΔH dengan Menambah Tindak Balas

Mengapa fungsi keadaan menjadikan hukum Hess berfungsi

Entalpi ialah fungsi keadaan: nilainya hanya bergantung pada keadaan semasa sesuatu sistem, bukan pada cara sistem itu sampai ke sana. Perubahan ΔH antara keadaan permulaan dan keadaan akhir oleh itu sama bagi setiap laluan antara keduanya. Ketinggian berfungsi dengan cara yang sama. Sama ada anda mendaki bukit melalui denai curam atau lorong berliku yang panjang, perubahan ketinggian anda adalah sama.

Hukum Hess terhasil secara langsung. Jika tindak balas boleh ditulis sebagai hasil tambah dua atau lebih langkah, ΔH-nya ialah hasil tambah nilai ΔH langkah-langkah itu. Langkah tidak semestinya berlaku dalam realiti; ia hanya perlu persamaan kimia yang sah yang entalpinya diketahui. Kebebasan itulah yang menjadikan hukum ini berguna untuk tindak balas yang tidak dapat dijalankan dengan bersih dalam kalorimeter.

Tiga peraturan untuk memanipulasi persamaan termokimia

Setiap peraturan terhasil daripada hakikat bahawa ΔH ialah fungsi keadaan ekstensif. Membalikkan sesuatu proses mengembalikan sistem kepada keadaan permulaannya, jadi perubahan entalpi mesti sama dan berlawanan. Menggandakan kuantiti tindak balas menggandakan tenaga yang terlibat.

Sebelum menggabungkan apa-apa, tulis persamaan sasaran di bahagian atas kerja anda. Kemudian cari, dalam persamaan yang diberi, setiap bahan yang muncul sekali sahaja. Kedudukan dan pekalinya memberitahu anda sama ada persamaan itu mesti dibalikkan dan dengan faktor berapa ia mesti didarab.

• Balikkan persamaan dan anda menukar tanda ΔH-nya.
• Darabkan persamaan dengan satu faktor dan anda mendarab ΔH-nya dengan faktor yang sama. Pecahan seperti ½ dibenarkan.
• Tambahkan persamaan dan anda menambah nilai ΔH-nya. Spesies yang muncul pada kedua-dua belah hasil tambah terbatal, tetapi hanya jika keadaan fizikalnya sepadan.

Contoh penyelesaian: membalikkan dan menambah dua persamaan

Cari ΔH° bagi penukaran grafit kepada berlian, C(graphite) → C(diamond). Penukaran langsung memerlukan tekanan yang melampau dan tidak dapat dijalankan dalam kalorimeter, tetapi kedua-dua bentuk karbon terbakar. Gunakan (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ, dan (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ. Nilai pertama daripada Lampiran G OpenStax Chemistry 2e; yang kedua dikira daripada jadual yang sama.

Grafit ialah bahan tindak balas dalam (1) dan dalam sasaran, jadi kekalkan (1). Berlian ialah bahan tindak balas dalam (2) tetapi hasil dalam sasaran, jadi balikkan (2): CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. Menambah kedua-duanya, O₂ dan CO₂ muncul sekali pada setiap belah dan terbatal, meninggalkan tepat sasaran. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

Tafsirkan jawapan itu. Tanda positif bermakna berlian terletak sedikit lebih tinggi dalam entalpi berbanding grafit, selaras dengan grafit, bukan berlian, sebagai bentuk rujukan karbon. Saiz nombor yang kecil mengingatkan bahawa menolak dua nilai besar yang hampir sama membesarkan ketakpastiannya.

Contoh penyelesaian: tiga persamaan dan semakan silang

Cari ΔH° bagi penghidrogenan C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) daripada data pembakaran. Gunakan (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; dan (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ. Nilai pembakaran ini dikira daripada data pembentukan Lampiran G supaya anda boleh menghasilkannya semula.

C₂H₄ dan H₂ ialah bahan tindak balas dalam sasaran dan dalam persamaan (1) dan (2), jadi kekalkan seperti yang ditulis. C₂H₆ ialah hasil dalam sasaran tetapi bahan tindak balas dalam (3), jadi balikkan (3) dan tukar tandanya kepada +1560.5 kJ. Kini kira: oksigen ialah 3 + ½ = 7/2 O₂ di sebelah kiri dan 7/2 O₂ di sebelah kanan; karbon dioksida ialah 2 pada setiap belah; air ialah 2 + 1 = 3 di sebelah kanan dan 3 di sebelah kiri. Segalanya terbatal kecuali sasaran. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ, dilaporkan kepada satu tempat perpuluhan kerana nilai yang paling kurang persis mempunyai satu.

Semakan silang dengan entalpi pembentukan: ΔH°f bagi C₂H₆(g) ialah −84.0 kJ/mol dan bagi C₂H₄(g) ialah +52.4 kJ/mol, dan H₂(g) ialah sifar, jadi ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Dua laluan berbeza memberikan jawapan yang sama, betul-betul seperti yang dijamin oleh fungsi keadaan.

Entalpi pembentukan piawai dan keadaan rujukan

Entalpi pembentukan piawai, ΔH°f, ialah perubahan entalpi apabila satu mol sebatian terbentuk daripada unsurnya, setiap satu dalam bentuk rujukannya, di bawah keadaan piawai. Bentuk rujukan ialah bentuk yang paling stabil dengan pengecualian yang jarang: fosforus menggunakan P₄(s) putih, yang disenaraikan sifar dalam Lampiran G. IUPAC menetapkan tekanan piawai pada 1 bar; banyak jadual masih menggunakan 1 atm, dan perbezaannya boleh diabaikan bagi kebanyakan kerja entalpi. Nilai yang dijadualkan biasanya diberikan pada 298.15 K.

Persamaan pembentukan sentiasa menghasilkan tepat satu mol hasil, jadi pekali berpecahan adalah biasa: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. Bagi unsur yang sudah dalam bentuk rujukannya, seperti O₂(g), H₂(g), grafit atau bromin cecair, ΔH°f ialah sifar mengikut takrifan. Bentuk lain bagi suatu unsur bukan sifar: Lampiran G menyenaraikan berlian pada +1.89 kJ/mol relatif kepada grafit.

Mengira ΔH°rxn daripada data pembentukan

Mana-mana tindak balas boleh dibayangkan sebagai dua langkah: pecahkan bahan tindak balas kepada unsurnya, kemudian bina hasil daripada unsur-unsur itu. Langkah pertama ialah songsangan tindak balas pembentukan bahan tindak balas dan yang kedua ialah tindak balas pembentukan hasil. Itu memberikan rumus kerja ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(products) − Σ m ΔH°f(reactants), dengan n dan m ialah pekali dalam persamaan seimbang.

Contoh penyelesaian. Cari ΔH° bagi 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g), tindak balas hidrazina daripada jenis yang digunakan dalam sesetengah enjin roket. Daripada Lampiran G: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol, dan N₂(g) 0. Hasil: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. Bahan tindak balas: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ, dilaporkan kepada satu tempat perpuluhan kerana 11.1 mempunyai satu. Itu ialah −539.8 kJ bagi setiap mol hidrazina.

Keadaan air penting. Jika persamaan menghasilkan air cecair, menggunakan −285.83 kJ/mol, jawapannya ialah −1255.7 kJ. Perbezaannya ialah empat kali entalpi yang dibebaskan apabila satu mol wap air memeluwap.

Kesilapan yang merosakkan pengiraan hukum Hess

Kebanyakan kesilapan dalam masalah ini ialah kesilapan pencatatan, dan kiraan bertulis bagi setiap spesies menangkap hampir kesemuanya. Apabila pembatalan tidak menghasilkan sasaran dengan tepat, sesuatu persamaan telah dibalikkan atau diskalakan dengan salah.

Semakan kedua ialah menganggar tandanya. Pembakaran dan pembentukan kebanyakan sebatian stabil adalah eksotermik, jadi jawapan positif untuk membakar bahan api menandakan langkah yang terbalik.

• Membalikkan persamaan tanpa menukar tanda ΔH-nya.
• Mendarab persamaan dengan 2 atau ½ tetapi membiarkan ΔH-nya tidak berubah.
• Menolak dalam tertib yang salah: rumusnya ialah hasil tolak bahan tindak balas.
• Terlupa pekali semasa menjumlahkan entalpi pembentukan.
• Menggunakan ΔH°f bagi keadaan yang salah, seperti H₂O(g) apabila persamaan mempunyai H₂O(l).
• Memberikan unsur dalam bentuk rujukannya ΔH°f bukan sifar, atau memberikan sebatian sifar.