Hess Yasası: Tepkimeleri Toplayarak ΔH Bulma

Hess yasasını bir hâl fonksiyonu neden çalıştırır

Entalpi bir hâl fonksiyonudur: değeri yalnızca sistemin mevcut hâline bağlıdır, sistemin oraya nasıl geldiğine değil. Bir başlangıç hâli ile bir son hâl arasındaki ΔH değişimi bu nedenle aralarındaki her yol için aynıdır. Yükseklik de aynı şekilde işler. Bir tepeye dik patikayla da uzun zikzaklarla da çıksanız yükseklik değişiminiz aynıdır.

Hess yasası doğrudan bundan çıkar. Bir tepkime iki veya daha fazla adımın toplamı olarak yazılabiliyorsa ΔH'ı adımların ΔH değerlerinin toplamıdır. Adımların gerçekte gerçekleşmesi gerekmez; yalnızca entalpileri bilinen geçerli kimyasal denklemler olmaları yeterlidir. Yasayı, bir kalorimetrede temiz biçimde yürütemeyeceğiniz tepkimeler için yararlı kılan bu serbestliktir.

Termokimyasal denklemleri işlemek için üç kural

Her kural, ΔH'ın kapsamlı bir hâl fonksiyonu olmasından çıkar. Bir süreci tersine çevirmek sistemi başlangıç hâline döndürür; bu yüzden entalpi değişimi eşit ve ters olmalıdır. Tepkime miktarını iki katına çıkarmak, ilgili enerjiyi iki katına çıkarır.

Herhangi bir şeyi birleştirmeden önce hedef denklemi çalışmanızın en üstüne yazın. Sonra verilen denklemlerde yalnızca bir kez görünen her maddeyi bulun. Konumu ve katsayısı, o denklemin ters çevrilmesi gerekip gerekmediğini ve hangi çarpanla çarpılması gerektiğini söyler.

• Bir denklemi ters çevirirseniz ΔH'ının işaretini değiştirirsiniz.
• Bir denklemi bir çarpanla çarparsanız ΔH'ını aynı çarpanla çarparsınız. ½ gibi kesirlere izin verilir.
• Denklemleri toplarsanız ΔH değerlerini toplarsınız. Toplamın her iki tarafında görünen türler sadeleşir, ancak yalnızca fiziksel hâlleri eşleşiyorsa.

Çözümlü örnek: iki denklemi ters çevirme ve toplama

Grafitin elmasa dönüşümü, C(graphite) → C(diamond), için ΔH°'yi bulun. Doğrudan dönüşüm aşırı basınç gerektirir ve bir kalorimetrede yürütülemez, ancak karbonun her iki biçimi de yanar. (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ ve (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ kullanın. İlk değer OpenStax Chemistry 2e Ek G'den, ikincisi aynı tablodan hesaplanmıştır.

Grafit (1)'de ve hedefte girendir; bu yüzden (1)'i koruyun. Elmas (2)'de girendir ama hedefte üründür; bu yüzden (2)'yi ters çevirin: CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. İkisini toplarken O₂ ve CO₂ her iki tarafta birer kez görünür ve sadeleşir; geriye tam olarak hedef kalır. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

Cevabı yorumlayın. Pozitif işaret, elmasın entalpice grafitten biraz yukarıda olduğu anlamına gelir; bu, karbonun referans biçiminin elmas değil grafit olmasıyla tutarlıdır. Sayının küçüklüğü, birbirine çok yakın iki büyük değeri çıkarmanın belirsizliklerini büyüttüğünü hatırlatır.

Çözümlü örnek: üç denklem ve bir çapraz kontrol

Yanma verilerinden C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) hidrojenasyonu için ΔH°'yi bulun. (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; ve (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ kullanın. Bu yanma değerleri, onları yeniden üretebilmeniz için Ek G oluşum verilerinden hesaplanmıştır.

C₂H₄ ve H₂ hem hedefte hem de (1) ve (2) denklemlerinde girendir; bu yüzden onları yazıldığı gibi tutun. C₂H₆ hedefte üründür ama (3)'te girendir; bu yüzden (3)'ü ters çevirin ve işaretini +1560.5 kJ olarak değiştirin. Şimdi sayım: oksijen solda 3 + ½ = 7/2 O₂ ve sağda 7/2 O₂'dir; karbon dioksit her iki tarafta 2'dir; su sağda 2 + 1 = 3 ve solda 3'tür. Hedef dışında her şey sadeleşir. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ; en az kesin değerlerin bir ondalık basamağı olduğu için bir ondalık basamakla verilir.

Oluşum entalpileriyle çapraz kontrol: C₂H₆(g)'nin ΔH°f değeri −84.0 kJ/mol, C₂H₄(g)'ninki +52.4 kJ/mol'dür ve H₂(g) sıfırdır; dolayısıyla ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. İki farklı yol aynı cevabı verir; bir hâl fonksiyonunun garanti ettiği tam olarak budur.

Standart oluşum entalpileri ve referans hâller

Standart oluşum entalpisi, ΔH°f, bir mol bileşiğin, her biri referans biçiminde olan elementlerinden standart koşullarda oluşmasındaki entalpi değişimidir. Nadir istisnalar dışında referans biçim en kararlı biçimdir: fosfor için Ek G'nin sıfır olarak listelediği beyaz P₄(s) kullanılır. IUPAC standart basıncı 1 bar olarak belirler; birçok tablo hâlâ 1 atm kullanır ve fark çoğu entalpi çalışması için ihmal edilebilir. Tablolaştırılmış değerler genellikle 298.15 K için verilir.

Bir oluşum denklemi her zaman tam olarak bir mol ürün yapar; bu yüzden kesirli katsayılar olağandır: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. O₂(g), H₂(g), grafit veya sıvı brom gibi zaten referans biçimindeki bir element için ΔH°f tanım gereği sıfırdır. Bir elementin diğer biçimleri sıfır değildir: Ek G, elması grafite göre +1.89 kJ/mol olarak listeler.

Oluşum verilerinden ΔH°rxn hesaplama

Her tepkime iki adım olarak düşünülebilir: girenleri elementlerine ayırın, sonra ürünleri o elementlerden kurun. İlk adım girenlerin oluşum tepkimelerinin tersidir ve ikincisi ürünlerin oluşum tepkimeleridir. Bu, ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(products) − Σ m ΔH°f(reactants) çalışma formülünü verir; burada n ve m denkleştirilmiş denklemdeki katsayılardır.

Çözümlü örnek. 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g) için ΔH°'yi bulun; bazı roket motorlarında kullanılan türden bir hidrazin tepkimesidir. Ek G'den: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol ve N₂(g) 0. Ürünler: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. Girenler: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ; 11.1'in bir ondalık basamağı olduğu için bir ondalık basamakla verilir. Bu, hidrazin molü başına −539.8 kJ'dir.

Suyun hâli önemlidir. Denklem sıvı su üretseydi, −285.83 kJ/mol kullanılırdı ve cevap −1255.7 kJ olurdu. Fark, bir mol su buharı yoğuştuğunda açığa çıkan entalpinin dört katıdır.

Bir Hess yasası hesabını bozan hatalar

Bu problemlerdeki hataların çoğu kayıt tutma hatalarıdır ve her türün yazılı bir sayımı bunların hemen hepsini yakalar. Sadeleşme hedefi tam olarak yeniden üretmediğinde bir denklem yanlış ters çevrilmiş veya yanlış ölçeklenmiştir.

İkinci bir kontrol işareti tahmin etmektir. Yanmalar ve çoğu kararlı bileşiğin oluşumu ekzotermiktir; bu yüzden bir yakıtı yakmak için pozitif bir cevap, ters çevrilmiş bir adıma işaret eder.

• Bir denklemi ΔH'ının işaretini değiştirmeden ters çevirmek.
• Bir denklemi 2 veya ½ ile çarpıp ΔH'ını değiştirmeden bırakmak.
• Yanlış sırayla çıkarmak: formül ürünler eksi girenlerdir.
• Oluşum entalpilerini toplarken katsayıları unutmak.
• Denklemde H₂O(l) varken H₂O(g) gibi yanlış hâl için ΔH°f kullanmak.
• Referans biçimindeki bir elemente sıfır olmayan bir ΔH°f vermek veya bir bileşiğe sıfır vermek.