ENTALPIA REAKCJI: DEFINICJA, TERMOCHEMIA, ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Entalpia reakcji jest termodynamiczna funkcja umożliwiająca obliczenie ciepłu lub dostarczany w wyniku reakcji chemicznej, pod warunkiem, że ta reakcja wystąpiła przy stałym ciśnieniu. Definiuje się ją jako energię wewnętrzną U plus iloczyn ciśnienia P przez objętość V substancji biorących udział w reakcji chemicznej, jak następuje: H = U + P ∙ V

Dlatego entalpia ma wymiary energii, aw Międzynarodowym Systemie Pomiarów jest mierzona w dżulach. Aby zrozumieć związek entalpii z ciepłem wymienianym w reakcji chemicznej, należy pamiętać o pierwszej zasadzie termodynamiki, która brzmi następująco: Q = ΔU + W

Rysunek 1. Podczas spalania gazu entalpia spada. Źródło: pixabay

Pierwsza zasada stanowi, że ciepło wymieniane w procesie termodynamicznym jest równe zmianie energii wewnętrznej substancji biorących udział w procesie oraz pracy wykonanej przez te substancje w procesie.

W każdym procesie praca W jest obliczana za pomocą następującej zależności:

W powyższym wyrażeniu Vi to objętość początkowa, Vf objętość końcowa, a P to ciśnienie. Jeśli proces odbywa się przy stałym ciśnieniu P, wówczas wynikowa praca będzie:

Gdzie ΔV to zmiana objętości.

Definicja

Reakcje chemiczne to procesy termodynamiczne, które zazwyczaj zachodzą pod stałym ciśnieniem i bardzo często pod ciśnieniem atmosferycznym. Ten rodzaj procesu termodynamicznego nazywany jest „izobarycznym”, ponieważ zachodzi pod stałym ciśnieniem.

W tym przypadku pierwszą zasadę termodynamiki można zapisać następująco:

Qp = ΔU + P ∙ ΔV

Gdzie Qp wskazuje, że ciepło zostało wymienione przy stałym ciśnieniu. Jeżeli definicję entalpii H = U + P ∙ V wprowadzimy w poprzednim wyrażeniu, to otrzymamy:

Qp = ΔH

Stąd dodatnia zmiana entalpii wskazuje na reakcję, która odebrała ciepło z otoczenia. To jest reakcja endotermiczna.

Wręcz przeciwnie, jeśli zmiana entalpii jest ujemna, jest to reakcja egzotermiczna.

W rzeczywistości słowo entalpia pochodzi od greckiego słowa entalpien, które oznacza „ciepło”.

Entalpia jest również często nazywana ciepłem. Ale powinno być jasne, że to nie to samo co ciepło, ale to wymiana ciepła podczas procesu termodynamicznego zmienia entalpię.

Związek z ciepłem

W przeciwieństwie do ciepła entalpia jest funkcją stanu. Obliczając zmianę entalpii, obliczasz różnicę dwóch funkcji, które zależą wyłącznie od stanu układu, takich jak energia wewnętrzna i objętość.

ΔH = ΔU + P ∙ ΔV

Ponieważ ciśnienie w reakcji pozostaje stałe, entalpia reakcji jest funkcją stanu, która zależy tylko od energii wewnętrznej i objętości.

W reakcji chemicznej entalpię reagentów można zdefiniować jako sumę każdego z nich; a iloczynów jako suma entalpii wszystkich iloczynów.

Zmiana entalpii w reakcji jest różnicą między produktami a reagentami:

Rysunek 2. Wykres entalpii. Źródło: wykonane samodzielnie.

W reakcji endotermicznej entalpia produktów jest większa niż entalpii reagentów; to znaczy, że reakcja odbiera ciepło z otoczenia. Wręcz przeciwnie, w reakcji egzotermicznej entalpia reagentów jest większa niż produktów, ponieważ reakcja oddaje ciepło do otoczenia.

Standardowa entalpia

Ponieważ zmiana entalpii w reakcji chemicznej może zależeć od ciśnienia i temperatury, zwykle definiuje się standardowe warunki reakcji:

Standardowa temperatura reakcji: 25 ° C

Standardowe ciśnienie reakcji: 1 atm = 1 bar.

Standardowa entalpia jest oznaczona w następujący sposób: H °

Termochemia

W równaniu termochemicznym liczą się nie tylko reagenty i produkty, ale także zmiana entalpii. Przez entalpię rozumiemy reakcję na zmianę, jaka w jej trakcie zaszła.

Jako przykład spójrzmy na następujące reakcje:

2 H2 (gaz) + O2 (gaz) → 2 H2O (ciecz); ΔH ° = -571,6 kJ (egzotermiczny).

H2 (gaz) + (½) O2 (gaz) → H2O (ciecz); ΔH ° = -285,8 kJ (egzotermiczny).

2 H2O (ciecz) → 2 H2 (gaz) + O2 (gaz); ΔH ° = +571,6 kJ (endotermiczna).

Entalpia to rozległa wielkość termodynamiczna

Jeśli warunki równania chemicznego zostaną pomnożone lub podzielone przez określony czynnik, wówczas entalpię mnoży się lub dzieli przez to samo.

Jeśli reakcja jest odwrócona, to znak entalpii reakcji jest również odwrócony.

Rozwiązane ćwiczenia

-Ćwiczenie 1

Gaz acetylenowy C2H2 otrzymywany jest w wyniku reakcji węglika wapnia CaC2 w postaci granulatu z wodą w temperaturze i ciśnieniu otoczenia.

Jako dane mamy entalpie tworzenia reagentów:

ΔH ° (CaC2) = -59,0 kJ / mol

ΔH ° (H20) = -285,8 kJ / mol

A entalpia tworzenia produktów:

ΔH ° (C2H2) = +227,0 kJ / mol

ΔH ° (Ca (OH) 2) = -986,0 kJ / mol

Znajdź standardową entropię reakcji.

Rozwiązanie

Pierwszą rzeczą jest podniesienie zbilansowanego równania chemicznego:

CaC2 (s) + 2H20 (l) → Ca (OH) 2 (s) + C2H2 (g)

A teraz entalpie reagentów, produktów i reakcji:

- Odczynniki: -59,0 kJ / mol -2 ∙ 285,8 kJ / mol = -630,6 kJ / mol

- Produkty: -986,0 kJ / mol + 227,0 kJ / mol = -759 kJ / mol

- Reakcja: ΔH ° = -759 kJ / mol - (-630 kJ / mol) = -129 kJ / mol

Jest to reakcja egzotermiczna.

-Ćwiczenie 2

Ile ciepła jest uwalniane, gdy w standardowych warunkach spalany jest 1 litr acetylenu?

Rozwiązanie

Po zbilansowaniu reakcja spalania acetylenu wygląda następująco:

C2H2 (g) + (5/2) O2 (g) → 2 CO2 (g) + H20 (l)

Potrzebujemy entalpii tworzenia produktów:

ΔH ° (CO2) = -393,5 kJ / mol

ΔH ° (H2O (l)) = -285,8 kJ / mol

Obliczanie entalpii

Na podstawie tych danych możemy obliczyć entalpię produktów:

ΔH ° (produkty) = 2 * (- 393,5 kJ / mol) + (-285,8 kJ / mol) = -1072,8 kJ / mol

I entalpia tworzenia reagentów:

ΔH ° (C2H2) = 227,0 kJ / mol

ΔH ° (O2) = 0,0 kJ / mol

Entalpia reagentów będzie wynosić:

227,0 kJ / mol + (5/2) * 0,0 = 227,0 kJ / mol

Entalpia reakcji molowej będzie wówczas wynosić: ΔH ° (produkty) - ΔH ° (reagenty) = -1072,8 kJ / mol - 227,0 kJ / mol = -1299,8 kJ / mol

Entalpia spalania

Teraz musimy wiedzieć, ile moli acetylenu przypada na litr acetylenu w standardowych warunkach. W tym celu użyjemy równania stanu gazu doskonałego, z którego obliczymy liczbę moli.

Liczba moli n = P * V / (R * T)

P = 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa

V = 1 l = 1,0 x 10 ^ -3 m³

R = 8,31 J / (mol * K)

T = 25 ° C = 298,15 K.

n = 0,041 mola

Entalpia spalania 1 litra acetylenu wynosi 0,041 mola * (-1299,8 kJ / mol) = -53,13 kJ

Znak ujemny wskazuje, że jest to reakcja egzotermiczna, która uwalnia 53,13 kJ = 12,69 kcal.

Bibliografia

1. Kasztany E. Entalpia w reakcjach chemicznych. Odzyskany z: lidiaconlaquimica.wordpress.com
2. Termochemia. Entalpia reakcji. Odzyskane z: recursostic.educacion.es
3. Termochemia. Definicja standardowej entalpii reakcji. Odzyskany z: quimitube.com
4. Wikipedia. Standardowa entalpia reakcji. Odzyskane z: wikipedia.com
5. Wikipedia. Entalpia formacji. Odzyskane z: wikipedia.com