Løsning af problemer med Hess’ lov

Hess’ lov siger, at enthalpiforandringen i en kemisk reaktion (fysisk proces er også i orden) er uafhængig af de veje, som reaktionen finder sted ad. Men hvordan virker den?

Origin af Hess’ lov

Jamen, loven er et udtryk for den simple, men vigtige lov om energiens bevarelse – der fastslår, at energi er bevaret; energi kan hverken skabes eller ødelægges, men kun overføres fra en energiform til en anden energiform. For eksempel indebærer forbrænding af metan energioverførsel af kemisk energi til varme.

En anden grund er, at “enthalpi” i sig selv er en tilstandsfunktion. Ændringen, kaldet enthalpiforandring, afhænger kun af den indledende tilstand og den endelige tilstand. Når du skal fra London til New York, kan du bruge den direkte flyvning eller den indirekte flyvning. Rejseomkostningerne og rejsetiden afhænger af de ruter, du bruger. I et mere videnskabeligt perspektiv afhænger det arbejde, der udføres mod friktion, af den eller de ruter, du tager, jo længere rute du involverer, er værdien større.

Det gør den derimod ikke for enthalpiforandring. Den er uafhængig af den eller de veje, ad hvilke reaktionen finder sted. givet de samme betingelser. Man kan behandle den som en vektor, hvis man ikke ønsker at sætte sig ind i mere komplicerede begreber.

Brug af Hess’ lov i princippet

I kemien støder vi ofte på kemiske reaktioner, der er reversible, med dannelse af sideprodukter, eller reaktionen foregår ikke under standardbetingelser som krævet. Der findes begrænsninger! Det er ikke muligt at vurdere reaktionsens entalpiændring direkte ved hjælp af forsøg. I dette tilfælde kan enthalpiforandringen indirekte udledes ved hjælp af Hess’ lov ved hjælp af et/andet sæt kemiske reaktioner, der kan give det samme sæt reaktanter og produkter ved hjælp af en kombination af ligninger. De reaktioner, der vælges, er normalt gennemførlige eksperimenter med enkle forsøgsopstillinger eller med data, der er tilgængelige i databogen. Standard enthalpiændring ved dannelse og standard enthalpiændring ved forbrænding af mange kemikalier er to datasæt, som er blevet undersøgt godt af forskere. Dataene er tilgængelige med høj nøjagtighed, og de er en god datakilde til at finde frem til den ønskede reaktions enthalpiforandring.

Standardbetingelser? Standardtilstande?

Da miljøforhold som temperatur, tryk og koncentration påvirker den opnåede enthalpiværdiændringsværdi, skal vi definere de anvendte forhold og tilstande godt. Derfor har vi standardbetingelser, standardtilstande og standard enthalpiforandringer.

Standardbetingelser henviser til 1 atm, 298 K, og standardtilstand henviser til den termodynamisk mest stabile form af et grundstof.
For eksempel er grafit og diamant fremstillet af kulstof. De er grundstoffer. Men grafit bruges som standardtilstand for kulstof, fordi grafit er termodynamisk mere stabilt end diamant. Den har en lavere enthalpi. (I teorien kan vi ikke direkte måle enthalpiværdien, men vi kan nå frem til konklusionen ved at betragte standard enthalpiforandringer ved forbrænding af grafit og diamant)

Så henviser standard enthalpiforandring til standard enthalpiforandring under standardbetingelser, og reaktanter og produkter er i standardtilstande.

I den følgende del vil jeg diskutere de teknikker, der anvender Hess’ lov til at løse problemer, som man støder på i gymnasiekemi.

Standard enthalpiændring ved forbrænding (ΔH°c)

Standard enthalpiændring ved forbrænding er enthalpiændringen, når 1 mol stof forbrændes fuldstændigt i ilt under standardbetingelser, og alle reaktanter og produkter skal om nødvendigt være i standardtilstande. En simpel notation af standard enthalpiændring ved forbrænding af kulstof skrives på denne måde: ΔH°c

Fra definitionen betyder det,

1. Den reagerende skal være brændbar. Hvis reaktanten ikke er brændbar, f.eks. kuldioxid. Definition af standard enthalpiændring ved forbrænding af kuldioxid er meningsløs. Det begrænser kun brugen af den til brændbare stoffer, når den sammenlignes med standard dannelsesenthalpi, som er anvendelig i de fleste tilfælde.
2. Reaktantkoefficienten i den kemiske ligning skal være 1. Det er vigtigt, for hvis man bruger den forkerte ligning til at repræsentere standardforbrændingsenthalpiændringen, vil beregningen af enthalpiændringen i den ønskede ligning være forgæves. (se diagrammet nedenfor)
3. Hvis reaktanterne og produkterne i den målrettede ligning alle er brændbare, kan vi gøre brug af værdierne for standard enthalpiforandringer ved forbrænding for at finde de respektive enthalpiforandringer. (f.eks. hydrogenering af ethen til ethan, hvor ethen, hydrogen og ethan alle er brændbare.)

Eksempel: Hydrogenering af ethen

Opgave: Hydrogenering af ethen. Vi ønsker at finde entalpiændringen ved hydrogenering af ethen. Ligningen ser således ud:

(Bemærk, at når vi nævner et bestemt stof i vores standard enthalpiforandringsterm, skal koefficienten for det pågældende stof være 1. Her er koefficienten for ethen 1, det er nu i orden.)

Hærdningen kan ikke lade sig gøre under standardbetingelser. Som nævnt ovenfor er alle reaktanter og produkter brændbare. Vi vil gøre brug af standarddata for forbrændingsenthalpiændring (som kan findes i databogen eller udføres ved hjælp af forsøg med et bombecalorimeter) for at finde frem til den ukendte delta H for vores målrettede reaktion.

Der er to måder at løse Hess’ lovproblemer på:

A: Algebraisk metode

Den algebraiske metode er faktisk en bedre metode til at løse Hess’ lovproblemer. I de fleste lærebøger i kemi foretrækkes det dog at bruge sidstnævnte “enthalpicyklus”.

Det svarer til den måde, man løser et problem med simultane ligninger på. Det ser besværligt ud, men i de fleste eksamensopgaver kan man løse opgaven ved blot at se på reaktanternes og produkternes retning og koefficient.

Bemærk, at ethen og brint (ligning 1 og ligning 2) står i venstre side, som er i samme retning som den ønskede ligning, og at ethan står i modsat retning. De optræder også kun én gang, det betyder, at ingen andre ligninger vil påvirke den stofkoefficient, vi har sat.

Vi kan konvertere det ved at gange -1 til delta H3 for at vende ligning 3 i modsat retning, så ethan er i højre side.Resultatet viser sammenhængen:

Se! Opgaven er løst, og svaret er:

Vi vil overveje et vanskeligere tilfælde efter indførelsen af enthalpicyklus.

B: Enthalpicyklus.

Vi kan også konstruere en enthalpicyklus trin for trin for at løse problemet med Hess’ lov.

Den røde henviser til ligning 1, den grønne henviser til ligning 2, og den lilla henviser til ligning 3. Pas på antallet af tilsat ilt og repræsentationen af enthalpiforandringen. Reaktantsidetrinene er normalt samlet i ét trin i lærebogen, men jeg vil vise dig trin for trin som reference. samme antal ilt tilsættes (3,5). Hvis det ikke er det samme, betyder det, at der er sket noget forkert.

Vi kan behandle pilen som en vektor og bruge “head-to-tail metoden” til at løse problemet. Summen er lig med hale lagt til hoved.

Så ligning 1 og 2 er i samme retning som vores pil, og ligning 3 er modsat vores pil. Derfor vendes ligning 3 for at vende retningen. Vi får det samme resultat.

Eksempel: Hydrogenering af ethen

Denne gang bruger vi den samme ligning, men bruger data for standard enthalpiændring af dannelsen til at løse problemerne.

Standard enthalpiændring af dannelsen er enthalpiændringen, når 1 mol stof dannes fra dets bestanddele i deres standardtilstande under standardbetingelser. Hovedaktøren er produktet, og den produktkoefficient, der er angivet i ligningen, skal være lig med 1. En simpel notation af standard enthalpiændringen ved dannelse af kuldioxid kan skrives på denne måde: ΔH°f

Diagrammerne viser algebraisk metode og entalpicyklus til løsning af opgaven.

Note:

1. Den standardmæssige enthalpiændring ved dannelse af brint er nul. Du kan forstå det ved at se på den repræsenterede ligning. Det betyder ingenting.
2. Anvendelsen ved hjælp af standard enthalpivandring af dannelsesdata har en større fleksibilitet end anvendelsen af standard enthalpivandring af forbrænding (som begrænser sig til stof, der er brændbart.)

Taktik til løsning af Hess’ lov

Så vidt ser det ud til, at problemerne er lette at løse ved hjælp af både algebraisk middelværdi og enthalpicyklus. Lad os se følgende eksempel.

Sværhedsgrad:

1. Stikstof, brint optræder mere end én gang i ligningssættet.
2. Der er brug for vanskelige trin for at konstruere enthalpycyklusen.

Løsning:

Algebraisk metode

Løs de lettere variabler først , dvs. stof, der kun optræder én gang – klor og hydrogenchlorid.

Find operationen på ligning 2 ved at bruge den kendte ligning 1 og ligning 3.

Ammoniak optræder på højre side. Det optræder ikke i vores målligning. Den skal ophæves af den resterende ligning 2. For at eliminere ammoniak skal enthalpiforandringen ganges med -1. Resultaterne følger.

Enthalpicyklus

Vi skal lægge begge sider med samme antal ammoniak til for at forbinde vores målligning med ligning 2. Ellers kan vi end ikke konstruere cyklussen, fordi der ikke findes stoffer, der passer til noget sæt af ligninger.

Så starter vi som sædvanligt fra begge sider og konstruerer cyklusen:

Fra hale til hoved får vi det samme resultat:

Algebraisk metode er en bedre metode, og nogle gange kræves det i åben eksamen, at man løser opgaven ved hjælp af enthalpicyklus. Når spørgsmålet bliver svært, kan du tænke på enthalpicyklen ved at løse det med den algebraiske metode først. Tilføj de nødvendige grundstoffer/forbindelser i begyndelsen på begge sider for at “igangsætte” din enthalpicyklus.

Jeg håber, at du nyder og forstår løsningsfærdighederne for Hess’ lovproblemer, som du møder i gymnasiets kemi.