Hessin lain ongelmien ratkaiseminen

Hessin lain mukaan kemiallisen reaktion (fysikaalinen prosessi käy myös) entalpiamuutos on riippumaton reaktioreitistä. Mutta miten se toimii?

Hessin lain alkuperä

No, laki on ilmaus yksinkertaisesta mutta tärkeästä energian säilymislaista – jonka mukaan energia säilyy; energiaa ei voi luoda eikä tuhota, vaan se voi ainoastaan siirtyä energiamuodosta toiseen energiamuotoon. Esimerkiksi metaanin palamisessa on kyse kemiallisen energian siirtymisestä lämmöksi.

Toinen syy on se, että ”entalpia” itsessään on tilafunktio. Muutos, jota kutsutaan entalpian muutokseksi, riippuu vain alkutilasta ja lopputilasta. Kun matkustat Lontoosta New Yorkiin, voit käyttää suoraa lentoa tai epäsuoraa lentoa. Matkakustannukset ja -aika riippuvat käyttämästäsi reitistä. Tieteellisestä näkökulmasta katsottuna kitkaa vastaan tehty työ riippuu käyttämästäsi reitistä (reiteistä), mitä pidemmän reitin olet mukana, arvo on suurempi.

Toisaalta entalpiamuutoksen kohdalla näin ei ole. Se on riippumaton siitä, mitä reittiä (reittejä) pitkin reaktio tapahtuu. samojen olosuhteiden vallitessa. Voit käsitellä sitä vektorina, jos et halua sekaantua monimutkaisempaan käsitteistöön.

Hessin lain periaatteellinen käyttö

Kemiassa törmäämme usein kemiallisiin reaktioihin, jotka ovat reversiibeleitä, joissa muodostuu sivutuotteita tai reaktio ei tapahdu vaadituissa vakio-olosuhteissa. Rajoituksia on olemassa! Reaktion entalpiamuutoksen arviointi suoraan kokeellisesti ei ole mahdollista. Tällöin entalpiamuutos voidaan päätellä epäsuorasti Hessin lain avulla käyttäen kemiallisten reaktioiden sarjaa/toisia kemiallisia reaktioita, joissa saadaan yhtälöiden yhdistelmän avulla aikaan sama reaktantti- ja tuotesarja. Valitut reaktiot ovat yleensä toteutettavissa olevia kokeita, joiden koejärjestelyt ovat yksinkertaiset tai joiden tiedot ovat saatavilla tietokannasta. Monien kemikaalien muodostumisen vakioentalpiamuutos ja palamisen vakioentalpiamuutos ovat kaksi tietoa, joita tutkijat ovat tutkineet hyvin. Tietoja on saatavilla suurella tarkkuudella, ja ne ovat hyvä tietolähde halutun reaktion entalpian muutoksen selvittämiseksi.

Standardiolosuhteet? Vakiotilat?

Koska ympäristöolosuhteet, kuten lämpötila, paine ja konsentraatio, vaikuttavat saatuun entalpian muutosarvoon, meidän on määriteltävä hyvin käyttämämme olosuhteet ja tilat. Siksi meillä on vakio-olosuhteet, vakiotilat ja vakioentalpiamuutos.

Vakio-olosuhteilla tarkoitetaan 1 atm, 298 K ja vakiotilalla tarkoitetaan alkuaineen termodynaamisesti stabiilimpaa muotoa.
Esimerkiksi grafiitti ja timantti ovat hiiltä. Ne ovat alkuaineita. Mutta grafiittia käytetään hiilen vakiotilana, koska grafiitti on termodynaamisesti vakaampi kuin timantti. Sillä on pienempi entalpia. (Teoriassa emme voi suoraan mitata entalpia-arvoa, mutta voimme tehdä johtopäätöksen tarkastelemalla grafiitin ja timantin palamisen vakioentalpiamuutosta)

Siten vakioentalpiamuutoksella tarkoitetaan vakioentalpiamuutosta vakio-olosuhteissa, joissa reaktantit ja tuotteet ovat vakiotiloissa.

Seuraavassa osassa käsittelen Hessin lakia käyttäviä tekniikoita lukion kemiassa esiintyvien ongelmien ratkaisemiseksi.

Polton vakioentalpiamuutos (ΔH°c)

Polton vakioentalpiamuutoksella tarkoitetaan entalpian muutosta silloin, kun 1 mooli ainetta palaa täydellisesti hapessa vakio-olosuhteissa ja kaikki reaktantit ja tuotteet ovat tarvittaessa vakiotiloissa. Hiilen palamisen vakioentalpiamuutoksen yksinkertainen merkintätapa kirjoitetaan näin: ΔH°c

Määritelmästä käy ilmi,

1. Reaktantin on oltava palava. Jos reaktantti ei ole palava, esim. hiilidioksidi. Hiilidioksidin palamisen vakioentalpiamuutoksen määrittely on merkityksetöntä. Se rajoittaa sen käytön vain palaviin aineisiin, kun sitä verrataan vakiomuotoiseen muodostumisentalpiaan, jota voidaan soveltaa useimmissa tapauksissa.
2. Kemiallisessa yhtälössä reagoivan aineen kertoimen on oltava 1. Se on tärkeä, koska jos käytät väärää yhtälöä esittämään palamisen vakioentalpiamuutosta, halutun yhtälön entalpian muutoksen laskeminen on turhaa. (ks. alla oleva kaavio)
3. Jos halutun yhtälön reaktantit ja tuotteet ovat kaikki palavia, voimme käyttää palamisen vakioentalpiamuutoksen arvoja vastaavien entalpianmuutosten löytämiseksi. (Esim. eteenin hydrataatio etaaniksi, jolloin eteeni, vety ja etaani ovat kaikki palavia)

Esimerkki: Eteenin vetykäsittely

Tarkastellaan eteenin vetykäsittelyä. Haluamme löytää eteenin vetykytkennän entalpiamuutoksen. Yhtälö on seuraava:

(Huomaa, että kun mainitsemme tietyn aineen tavallisessa entalpianmuutostermissämme, kyseisen aineen kertoimen on oltava 1. Tässä tapauksessa etenin kerroin on 1, se on nyt kunnossa.)

Vetykytkentä ei ole mahdollista tavallisissa olosuhteissa. Kuten edellä todettiin, kaikki reaktantit ja tuotteet ovat palavia. Hyödynnämme palamisen entalpiamuutoksen standarditietoja (jotka löytyvät tietokirjasta tai jotka voidaan suorittaa kokeella pommikalorimetriä käyttäen) selvittääksemme kohteena olevan reaktiomme tuntemattoman delta H:n.

Hessin lain ongelmien ratkaisemiseen on kaksi tapaa:

A: Algebramenetelmä

A: algebramenetelmä

Algebramenetelmä on itse asiassa parempi tapa ratkaista Hessin lain ongelmia. Useimmissa kemian oppikirjoissa käytetään kuitenkin mieluummin jälkimmäistä ”entalpiakiertoa”.

Se on samanlainen kuin tapa, jolla ratkaistaan simultaaniyhtälöiden ongelma. Se näyttää hankalalta, mutta useimmissa tenttitehtävissä voit ratkaista ongelman vain tarkastelemalla reaktanttien ja tuotteiden suuntaa ja kertoimia.

Huomaa, että eteeni ja vety (yhtälö 1 ja yhtälö 2) ovat vasemmalla puolella eli samansuuntaisesti kuin halutunlaisessa epäyhtälössä, kun taas etaani on vastakkaisessa suunnassa. Ne esiintyvät myös vain kerran, mikä tarkoittaa, etteivät muut yhtälöt vaikuta asettamiimme aineiden kertoimiin.

Voidaan muuntaa se kertomalla -1 delta H3:een, jolloin yhtälö 3 kääntyy vastakkaiseen suuntaan niin, että etaani on oikealla puolella.Tulokset osoittavat suhteen:

Katso! Tehtävä on ratkaistu ja vastaus on:

Tarkastelemme hankalampaa tapausta ottamalla käyttöön entalpian kierron.

B: Entalpiasykli.

Voidaan myös konstruoida entalpiasykli askel askeleelta Hessin lain ongelman ratkaisemiseksi.

Punainen viittaa yhtälöön 1, vihreä viittaa yhtälöön 2 ja violetti viittaa yhtälöön 3. Varo lisättävän hapen määrää ja entalpian muutoksen esitystä. Oppikirjassa reagoivan aineen sivuvaiheet on yleensä yhdistetty yhdeksi vaiheeksi, mutta haluan näyttää sen vaihe vaiheelta viitteeksi. lisätään sama määrä happea (3,5). Jos se ei ole sama, se tarkoittaa, että jotain on tapahtunut väärin.

Voidaan käsitellä nuolta vektorina ja käyttää ”head-to-tail-menetelmää” ongelman ratkaisemiseen. Summa on yhtä suuri kuin päähän lisätty häntä.

Yhtälöt 1 ja 2 ovat siis samansuuntaisia kuin nuolimme ja yhtälö 3 on vastakkaissuuntainen kuin nuolimme. Näin ollen yhtälö 3 käännetään suunnan kääntämiseksi. Saamme saman tuloksen.

Esimerkki: Eteenin vetykehitys

Tällä kertaa käytämme samaa yhtälöä, mutta käytämme ongelmien ratkaisemiseen tietoja muodostumisen vakioentalpiamuutoksesta.

Muodostumisen vakioentalpiamuutos on entalpian muutos, kun 1 mooli ainetta muodostuu sen rakenneosista niiden vakiotiloissa vakio-olosuhteissa. Päätoimija on tuote ja yhtälössä esitetyn tuotteen kertoimen on oltava yksi. Hiilidioksidin muodostumisen vakioentalpiamuutoksen yksinkertainen merkintätapa kirjoitetaan näin:

Huomautus:

1. Vedyn vakioentalpiamuutos muodostumisessa on 0. Ymmärrät sen tarkastelemalla esitettyä yhtälöä. Se ei merkitse mitään.
2. Sovellus, jossa käytetään muodostumisen vakioentalpiamuutostietoja, on joustavampi kuin palamisen vakioentalpiamuutos (joka rajoittuu aineeseen, joka on palava.)

Taktiikka Hessin lain ratkaisemiseksi

Tässä vaiheessa näyttää siltä, että ongelmat on helppo ratkaista sekä algebrallisella keskiarvolla että entalpian kierrolla. Katsotaanpa seuraava esimerkki.

Vaikeusaste:

1. Typpi, vety esiintyvät yhtälösarjassa useammin kuin kerran.
2. Entalpiakierron rakentaminen vaatii hankalia vaiheita.

Ratkaisu:

Algebramenetelmä

Ratkaise ensin helpommat muuttujat , eli aine, joka esiintyy vain kerran – kloori ja vetykloridi.

Kokeile selvittää yhtälön 2 operaatio tunnetun yhtälön 1 ja yhtälön 3 avulla.

Ammonia näkyy oikealla puolella. Se ei esiinny kohdeyhtälössämme. Se on kumottava jäljellä olevasta yhtälöstä 2. Ammoniakin eliminoimiseksi entalpiamuutos on kerrottava -1:llä. Tulokset ovat seuraavat.

Entalpiakierto

Joudumme laskemaan yhteen molemmilla puolilla ammoniakki, jotta voimme liittää tavoitteemme mukaisen yhtälön yhtälöön 2. Muuten emme edes pysty rakentamaan sykliä, koska mihinkään yhtälösarjaan sopivia aineita ei ole.

Tällöin, kuten yleensä, aloitamme jommalta kummalta puolelta ja konstruoimme syklin:

Hännästä päähän saadaan sama tulos:

Algebramenetelmä on parempi menetelmä, ja joskus avoimessa tentissä edellytetään tehtävän ratkaisemista entalpiakierron avulla. Kun kysymyksestä tulee vaikea, voit miettiä entalpiasykliä ratkaisemalla sen ensin algebrallisella menetelmällä. Lisää tarvittavat alkuaineet/yhdisteet alussa molemmille puolille ”aloittaaksesi” entalpian syklin.

Toivottavasti nautit ja ymmärrät lukion kemiassa esiintyvien Hessin lain ongelmien ratkaisutaidot.