A Hess-törvény problémáinak megoldása

A Hess-törvény kimondja, hogy egy kémiai reakció (fizikai folyamat is rendben van) entalpiaváltozása független attól, hogy a reakció milyen úton megy végbe. De hogyan is működik?

A Hess-törvény eredete

Nos, a törvény az egyszerű, de fontos energia-megmaradási törvény kifejezése – amely kimondja, hogy az energia megmarad; az energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg, csak egyik energiaformából egy másik energiaformába mehet át. Például a metán elégetése a kémiai energia hőre történő energiaátadásával jár.

A másik ok az, hogy maga az “entalpia” egy állapotfüggvény. Az entalpiaváltozásnak nevezett változás csak a kiindulási állapottól és a végállapottól függ. Amikor Londonból New Yorkba utazol, használhatod a közvetlen vagy a közvetett járatot. Az utazás költsége és ideje attól függ, hogy milyen útvonalat használsz. Tudományos szempontból a súrlódással szemben végzett munka függ az útvonal(ak)tól, minél hosszabb az érintett útvonal, annál nagyobb az érték.

Az entalpiaváltozás esetében viszont nem. Független attól az útvonal(ak)tól, amelyen a reakció végbemegy. azonos feltételek mellett. Vektorként is kezelhetjük, ha nem akarunk bonyolultabb fogalomba bonyolódni.

Hess törvényének elvi alkalmazása

A kémiában gyakran találkozunk olyan kémiai reakciókkal, amelyek reverzibilisek, melléktermékek képződnek, vagy a reakció nem az előírt standard körülmények között megy végbe. A korlátozások léteznek! A reakció entalpiaváltozásának értékelése közvetlenül kísérleti úton nem kivitelezhető. Ebben az esetben az entalpiaváltozás közvetve levezethető a Hess-törvény segítségével egy/egy másik kémiai reakciósorozat segítségével, amely egyenletek kombinálásával ugyanazt a reaktáns- és termékhalmazt tudja elérni. A kiválasztott reakciók általában egyszerű kísérleti elrendezéssel vagy adatbázisban rendelkezésre álló adatokkal elvégezhető kísérletek. A képződés standard entalpiaváltozása és az égés standard entalpiaváltozása számos vegyi anyag esetében két olyan adatsor, amelyet a tudósok jól tanulmányoztak. Az adatok nagy pontossággal állnak rendelkezésre, és jó adatforrást jelentenek a kívánt reakció entalpiaváltozásának megállapításához.

Standard feltételek? Standard állapotok?

Mivel a környezeti feltételek, például a hőmérséklet, a nyomás és a koncentráció befolyásolják a kapott entalpiaváltozási értéket, jól meg kell határoznunk az általunk használt feltételeket és állapotokat. Ezért vannak standard körülmények, standard állapotok és standard entalpiaváltozás.

A standard körülmények 1 atm, 298 K-ra vonatkoznak, a standard állapot pedig az elem termodinamikailag legstabilabb formájára.
A grafit és a gyémánt például szénből készül. Ezek elemek. De a grafitot a szén standard állapotaként használják, mert a grafit termodinamikailag stabilabb, mint a gyémánt. Alacsonyabb entalpiával rendelkezik. (Elméletileg nem tudjuk közvetlenül mérni az entalpiaértéket, de a grafit és a gyémánt égésének standard entalpiaváltozását figyelembe véve következtethetünk)

A standard entalpiaváltozás tehát standard entalpiaváltozásra utal standard körülmények között, amikor a reaktánsok és a termékek standard állapotban vannak.

A következő részben a középiskolai kémiában előforduló feladatok megoldásához a Hess-törvényt alkalmazó technikákat fogom tárgyalni.

Az égés standard entalpiaváltozása (ΔH°c)

Az égés standard entalpiaváltozása az az entalpiaváltozás, amikor 1 mol anyagot oxigénben standard körülmények között teljesen elégetünk, és minden reaktáns és termék standard állapotban van, ha szükséges. A szén égésének standard entalpiaváltozásának egyszerű jelölése így írható: ΔH°c

A definícióból következik,

1. A reaktánsnak éghetőnek kell lennie. Ha a reaktáns nem éghető, pl. szén-dioxid. A szén-dioxid égésének standard entalpiaváltozásának meghatározása értelmetlen. Használatát csak az éghető anyagokra korlátozza, ha a legtöbb esetben alkalmazható standard képződési entalpiával hasonlítjuk össze.
2. A kémiai egyenletben a reaktáns együtthatójának 1-nek kell lennie. Ez azért fontos, mert ha rossz egyenletet használunk az égés standard entalpiaváltozásának ábrázolására, a kívánt egyenlet entalpiaváltozásának kiszámítása hiábavaló lesz. (lásd az alábbi ábrát)
3. Ha a célegyenlet reaktánsai és termékei mind éghetőek, akkor az égés standard entalpiaváltozásának értékeit használhatjuk a megfelelő entalpiaváltozások megtalálásához. (pl. etén hidrogénezése etánná, ahol az etén, a hidrogén és az etán mind éghető.)

Példa:

Lássuk az etén hidrogénezését. Szeretnénk megtalálni az etén hidrogénezésének entalpiaváltozását. Az egyenlet a következő:

(Vegyük észre, hogy amikor egy adott anyagot említünk a standard entalpiaváltozási kifejezésünkben, akkor az adott anyag együtthatója 1. Itt az etén együtthatója 1, ez most rendben van.)

A hidrogénezés standard körülmények között nem valósítható meg. Mint fentebb említettük, minden reaktáns és termék éghető. A célzott reakciónk ismeretlen delta H értékének megállapításához az égés entalpiaváltozás standard adatait fogjuk felhasználni (amelyek megtalálhatók az adatbázisban vagy kísérlet útján, bombakaloriméterrel végezhetőek).

A Hess-törvény feladatainak megoldására kétféle módszer létezik:

A: Algebrai módszer

Az algebrai módszer valójában jobb módszer a Hess-törvény feladatainak megoldására. A legtöbb kémia tankönyvben azonban inkább az utóbbi “entalpia-ciklust” használják.

Ez hasonló ahhoz, ahogyan egy szimultán egyenletekből álló feladatot megoldunk. Trükkösnek tűnik, de a legtöbb vizsgafeladatban megoldható a feladat, ha csak a reaktánsok és a termékek irányát és együtthatóját nézzük.

Megjegyezzük, hogy az etén és a hidrogén (1. és 2. egyenlet) a bal oldalon van, ami a kívánt egyenlet irányával megegyező, az etán pedig az ellenkező irányú. Ezek is csak egyszer jelennek meg, vagyis semmilyen más egyenlet nem befolyásolja az általunk beállított anyagok együtthatóját.

A delta H3 -1 szorzatával alakíthatjuk át, hogy a 3. egyenletet ellentétes irányba fordítsuk, így az etán a jobb oldalon van.Az eredmény a következő összefüggést mutatja:

Nézd! A feladat megoldódott, a válasz:

Az entalpia ciklus bevezetése után egy nehezebb esetet vizsgálunk meg.

B: Enthalpiaciklus.

A Hess-törvény feladatának megoldásához lépésről lépésre felépíthetünk egy entalpiaciklust is.

A piros az 1. egyenletre, a zöld a 2. egyenletre, a lila a 3. egyenletre utal. Vigyázzunk a hozzáadott oxigén számával és az entalpiaváltozás ábrázolásával. A reaktáns oldallépéseket a tankönyvben általában egy lépésben összevonják, de a hivatkozás kedvéért lépésről lépésre szeretném megmutatni. ugyanannyi oxigént adunk hozzá (3,5). Ha nem ugyanaz, az azt jelenti, hogy valami rossz történt.

A nyilat vektorként kezelhetjük, és a “fej-fej módszerrel” megoldhatjuk a feladatot. Az összeg egyenlő a farok és a fej összeadásával.

Az 1. és 2. egyenlet tehát a nyilunkkal azonos irányú, a 3. egyenlet pedig a nyilunkkal ellentétes irányú. Ezért a 3. egyenletet megfordítjuk, hogy megfordítsuk az irányt. Ugyanezt az eredményt kapjuk.

Példa: Az etén hidrogénezése

Ezúttal ugyanezt az egyenletet használjuk, de a standard képződési entalpiaváltozás adatait használjuk a feladatok megoldásához.

A standard képződési entalpiaváltozás az az entalpiaváltozás, amikor 1 mol anyag az alkotóelemeiből standard állapotukban, standard körülmények között képződik. A főszereplő a termék, és az egyenletben szereplő termék együtthatójának egynek kell lennie. A szén-dioxid standard képződési entalpiaváltozásának egyszerű jelölése így írható fel: ΔH°f

Az ábrákon a feladat megoldásához algebrai módszer és entalpiaciklus látható.

Jegyzet:

1. A hidrogén képződésének standard entalpiaváltozása nulla. Az ábrázolt egyenletet megnézve megértheted. Ez nem jelent semmit.
2. A képződés standard entalpiaváltozási adatait használó alkalmazás rugalmasabb, mint az égés standard entalpiaváltozásának alkalmazása (amely az éghető anyagokra korlátozódik.)

Taktika a Hess-törvény megoldására

Egyelőre úgy tűnik, hogy a feladatok könnyen megoldhatók mind az algebrai átlag, mind az entalpiaciklus segítségével. Lássuk a következő példát.

Nehézség:

1. A nitrogén, hidrogén többször is szerepel az egyenlethalmazban.
2. Az entalpia ciklus felépítése trükkös lépéseket igényel.

Megoldás:

Algebrai módszer

A könnyebb változókat oldjuk meg először , azaz a csak egyszer előforduló anyagot – klór és hidrogén-klorid.

Kíséreld meg a 2. egyenlet műveletét az ismert 1. egyenlet és a 3. egyenlet segítségével.

A jobb oldalon megjelenik az ammónia. A célegyenletünkben nem jelenik meg. Ki kell törölni a fennmaradó 2. egyenletből. Az ammónia kiiktatásához az entalpiaváltozást -1-gyel kell megszorozni. Az eredmények a következők.

Entalpia ciklus

Az ammónia mindkét oldalát össze kell adnunk, hogy célegyenletünket a 2. egyenlethez kapcsoljuk. Ellenkező esetben még a ciklust sem tudjuk megkonstruálni, mert nincsenek olyan anyagok, amelyek bármelyik egyenlethalmazba illeszkednének.

Ezután, mint általában, bármelyik oldalról indulunk, és megkonstruáljuk a ciklust:

A farkától a fejéig ugyanazt az eredményt kapjuk:

Az algebrai módszer jobb módszer, és néha a nyílt vizsgán az entalpiaciklus segítségével kell megoldani a feladatot. Ha a kérdés nehézzé válik, akkor az entalpiaciklusra gondolhatsz úgy, hogy először algebrai módszerrel oldod meg. Add hozzá a szükséges elemeket/vegyületeket az elején mindkét oldalon, hogy “beindítsd” az entalpiaciklusodat.

Remélem, élvezed és megérted a középiskolai kémiában előforduló Hess-törvény problémáinak megoldási készségeit.