Lösen von Problemen mit dem Hess’schen Gesetz

Das Hess’sche Gesetz besagt, dass die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion (physikalischer Prozess ist auch okay) unabhängig von den Wegen ist, auf denen die Reaktion abläuft. Aber wie funktioniert das?

Ursprung des Hess’schen Gesetzes

Das Gesetz ist ein Ausdruck des einfachen, aber wichtigen Energieerhaltungssatzes, der besagt, dass Energie erhalten bleibt; Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, sondern nur von einer Energieform auf eine andere Energieform übertragen werden. Bei der Verbrennung von Methan wird zum Beispiel chemische Energie in Wärme umgewandelt.

Ein weiterer Grund ist, dass die „Enthalpie“ selbst eine Zustandsfunktion ist. Die Änderung, die Enthalpieänderung genannt wird, hängt nur vom Anfangs- und Endzustand ab. Wenn Sie von London nach New York reisen, können Sie den Direktflug oder den indirekten Flug benutzen. Die Kosten und die Dauer der Reise hängen von der gewählten Route ab. Aus wissenschaftlicher Sicht hängt die gegen Reibung geleistete Arbeit von der/den gewählten Route(n) ab; je länger die Route ist, desto größer ist der Wert.

Bei der Enthalpieänderung ist dies hingegen nicht der Fall. Sie ist unabhängig von dem/den Weg(en), auf dem/denen die Reaktion abläuft. bei gleichen Bedingungen. Man kann sie als Vektor behandeln, wenn man sich nicht auf kompliziertere Konzepte einlassen will.

Anwendung des Hess’schen Gesetzes im Prinzip

In der Chemie treffen wir oft auf chemische Reaktionen, die reversibel sind, bei denen Nebenprodukte gebildet werden oder die Reaktion nicht wie gewünscht unter Standardbedingungen abläuft. Es bestehen Randbedingungen! Eine direkte experimentelle Bestimmung der Enthalpieänderung der Reaktion ist nicht möglich. In diesem Fall kann die Enthalpieänderung indirekt durch das Hess’sche Gesetz abgeleitet werden, indem eine/ein anderer Satz chemischer Reaktionen verwendet wird, die durch die Kombination von Gleichungen denselben Satz von Reaktanten und Produkten erzielen können. Bei den ausgewählten Reaktionen handelt es sich in der Regel um durchführbare Experimente mit einfachem Versuchsaufbau oder um Daten, die in Datenbanken verfügbar sind. Die Standard-Enthalpieänderung der Bildung und die Standard-Enthalpieänderung der Verbrennung vieler Chemikalien sind zwei Datensätze, die von Wissenschaftlern gut untersucht wurden. Die Daten sind mit hoher Genauigkeit verfügbar und sie sind eine gute Datenquelle, um die gewünschte Reaktionsenthalpieänderung herauszufinden.

Standardbedingungen? Standardzustände?

Da Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck und Konzentration den Wert der Enthalpieänderung beeinflussen, müssen wir die verwendeten Bedingungen und Zustände genau definieren. Deshalb gibt es Standardbedingungen, Standardzustände und Standard-Enthalpieänderungen.

Standardbedingungen beziehen sich auf 1 atm, 298 K und der Standardzustand bezieht sich auf die thermodynamisch stabilste Form eines Elements.
Zum Beispiel bestehen Graphit und Diamant aus Kohlenstoff. Sie sind Elemente. Aber Graphit wird als Standardzustand von Kohlenstoff verwendet, weil Graphit thermodynamisch stabiler ist als Diamant. Er hat eine niedrigere Enthalpie. (Theoretisch können wir den Enthalpiewert nicht direkt messen, aber wir können die Schlussfolgerung ziehen, indem wir die Standard-Enthalpieänderung der Verbrennung von Graphit und die von Diamant betrachten)

Die Standard-Enthalpieänderung bezieht sich also auf die Standard-Enthalpieänderung unter Standardbedingungen und die Reaktanten und Produkte sind in Standardzuständen.

Im folgenden Teil werde ich die Techniken erörtern, mit denen das Hess’sche Gesetz zur Lösung von Problemen in der Chemie der Oberstufe verwendet wird.

Standard-Enthalpieänderung der Verbrennung (ΔH°c)

Die Standard-Enthalpieänderung der Verbrennung ist die Enthalpieänderung, wenn 1 Mol eines Stoffes in Sauerstoff unter Standardbedingungen vollständig verbrannt wird und alle Reaktanten und Produkte sich gegebenenfalls in Standardzuständen befinden. Eine einfache Schreibweise der Standardverbrennungsenthalpieänderung von Kohlenstoff lautet: ΔH°c

Aus der Definition ergibt sich,

1. Der Reaktant muss brennbar sein. Wenn der Reaktant nicht brennbar ist, z.B. Kohlendioxid. Die Definition der Standard-Verbrennungsenthalpie von Kohlendioxid ist sinnlos. Sie schränkt die Verwendung nur auf brennbare Stoffe ein, wenn man sie mit der Standardbildungsenthalpie vergleicht, die in den meisten Fällen anwendbar ist.
2. Der Koeffizient des Reaktanten in der chemischen Gleichung muss 1 sein. Das ist wichtig, denn wenn man die falsche Gleichung zur Darstellung der Standardverbrennungsenthalpie verwendet, ist die Berechnung der Enthalpieänderung der gewünschten Gleichung vergeblich. (siehe nachstehendes Diagramm)
3. Wenn die Reaktanten und Produkte der angestrebten Gleichung alle brennbar sind, können wir die Werte der Standardverbrennungsenthalpieänderung verwenden, um die jeweiligen Enthalpieänderungen zu ermitteln. (z.B. Hydrierung von Ethen zu Ethan, wobei Ethen, Wasserstoff und Ethan alle brennbar sind.)

Beispiel: Hydrierung von Ethen

Betrachten Sie die Hydrierung von Ethen. Wir wollen die Enthalpieänderung der Hydrierung von Ethen finden. Die Gleichung lautet wie folgt:

(Beachten Sie, dass, wenn wir eine bestimmte Substanz in unserem Standard-Enthalpie-Änderungsterm erwähnen, der Koeffizient dieser bestimmten Substanz 1 sein muss. Hier ist der Koeffizient von Ethen 1, das ist jetzt in Ordnung.)

Die Hydrierung ist unter Standardbedingungen nicht durchführbar. Wie bereits erwähnt, sind alle Edukte und Produkte brennbar. Wir werden die Standarddaten zur Verbrennungsenthalpieänderung verwenden (die man in Datenbüchern finden oder durch Experimente mit einem Bombenkalorimeter ermitteln kann), um das unbekannte delta H unserer angestrebten Reaktion zu bestimmen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Probleme mit dem Hess’schen Gesetz zu lösen:

A: Algebraische Methode

Die algebraische Methode ist eigentlich eine bessere Methode, um Probleme mit dem Hess’schen Gesetz zu lösen. In den meisten Chemie-Lehrbüchern wird jedoch der letztere „Enthalpie-Zyklus“ bevorzugt.

Es ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie man ein Problem mit simultanen Gleichungen löst. Es sieht knifflig aus, aber bei den meisten Prüfungsaufgaben kann man das Problem lösen, indem man einfach die Richtung und den Koeffizienten der Reaktanten und Produkte betrachtet.

Beachte, dass Ethen und Wasserstoff (Gleichung 1 und Gleichung 2) auf der linken Seite stehen, was die gleiche Richtung wie die gewünschte Gleichung ist, und Ethan in der entgegengesetzten Richtung. Sie treten auch nur einmal auf, was bedeutet, dass keine anderen Gleichungen den Koeffizienten der Substanzen, die wir festgelegt haben, beeinflussen werden.

Wir können sie umwandeln, indem wir -1 mit delta H3 multiplizieren, um die Gleichung 3 in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, so dass Ethan auf der rechten Seite steht.Das Ergebnis zeigt die Beziehung:

Sieh! Die Aufgabe ist gelöst und die Antwort lautet:

Wir werden einen schwierigeren Fall betrachten, nachdem wir den Enthalpiezyklus eingeführt haben.

B: Enthalpiezyklus.

Wir können auch einen Enthalpiezyklus Schritt für Schritt konstruieren, um das Problem des Hess’schen Gesetzes zu lösen.

Das Rote bezieht sich auf die Gleichung 1, das Grüne auf die Gleichung 2 und das Violette auf die Gleichung 3. Achten Sie auf die Anzahl des hinzugefügten Sauerstoffs und die Darstellung der Enthalpieänderung. Die Schritte auf der Seite der Reaktanten werden in Lehrbüchern normalerweise in einem Schritt zusammengefasst, aber ich möchte Ihnen Schritt für Schritt als Referenz zeigen. Wenn sie nicht gleich ist, bedeutet das, dass etwas falsch gelaufen ist.

Wir können den Pfeil als Vektor behandeln und die „Kopf-Schwanz-Methode“ verwenden, um das Problem zu lösen. Die Summe ist gleich dem Schwanz, der zum Kopf addiert wird.

Die Gleichungen 1 und 2 sind also in der gleichen Richtung wie unser Pfeil und Gleichung 3 ist entgegengesetzt zu unserem Pfeil. Daher wird Gleichung 3 umgedreht, um die Richtung zu ändern. Wir erhalten das gleiche Ergebnis.

Beispiel: Hydrierung von Ethen

Dieses Mal verwenden wir die gleiche Gleichung, aber wir benutzen die Daten der Standardbildungsenthalpieänderung, um die Probleme zu lösen.

Die Standardbildungsenthalpieänderung ist die Enthalpieänderung, wenn 1 Mol eines Stoffes aus seinen Bestandteilen in ihren Standardzuständen unter Standardbedingungen gebildet wird. Der Hauptakteur ist das Produkt, und der in der Gleichung angegebene Produktkoeffizient muss gleich 1 sein. Eine einfache Notation der Standard-Enthalpieänderung bei der Bildung von Kohlendioxid wird folgendermaßen geschrieben: ΔH°f

Die Diagramme zeigen die algebraische Methode und den Enthalpiezyklus zur Lösung des Problems.

Hinweis:

1. Die Standardenthalpieänderung der Bildung von Wasserstoff ist Null. Das kann man verstehen, wenn man sich die dargestellte Gleichung ansieht. Sie bedeutet nichts.
2. Die Anwendung der Daten der Standardbildungsenthalpie ist flexibler als die der Standardverbrennungsenthalpie (die sich auf brennbare Stoffe beschränkt)

Taktik zur Lösung des Hess’schen Gesetzes

So weit scheint es, dass die Probleme sowohl mit dem algebraischen Mittel als auch mit dem Enthalpiezyklus leicht zu lösen sind. Sehen wir uns das folgende Beispiel an.

Schwierigkeit:

1. Stickstoff, Wasserstoff kommen mehr als einmal in der Gleichungsreihe vor.
2. Die Konstruktion des Enthalpiekreislaufs erfordert knifflige Schritte.

Lösung:

Algebraische Methode

Löse zuerst die einfacheren Variablen, d.h. die Stoffe, die nur einmal vorkommen – Chlor und Chlorwasserstoff.

Versuchen Sie die Operation der Gleichung 2 mit Hilfe der bekannten Gleichung 1 und Gleichung 3 herauszufinden.

Ammonia erscheint auf der rechten Seite. Es kommt in unserer Zielgleichung nicht vor. Es muss durch die verbleibende Gleichung 2 annulliert werden. Um Ammoniak zu eliminieren, muss die Enthalpieänderung mit -1 multipliziert werden. Es folgen die Ergebnisse.

Enthalpiekreislauf

Um unsere Zielgleichung mit Gleichung 2 zu verbinden, müssen wir auf beiden Seiten die gleiche Anzahl von Ammoniak addieren. Sonst können wir den Kreislauf gar nicht konstruieren, weil es keine Stoffe gibt, die in die Gleichungen passen.

Dann fangen wir, wie üblich, auf beiden Seiten an und konstruieren den Kreislauf:

Vom Ende zum Kopf erhalten wir das gleiche Ergebnis:

Die algebraische Methode ist eine bessere Methode und manchmal wird in der offenen Prüfung verlangt, dass man das Problem mit Hilfe des Enthalpiezyklus löst. Wenn die Frage schwierig wird, können Sie an den Enthalpiezyklus denken, indem Sie sie zuerst mit der algebraischen Methode lösen. Füge die notwendigen Elemente/Verbindungen am Anfang auf beiden Seiten hinzu, um deinen Enthalpiezyklus zu „initiieren“.

Ich hoffe, du hast Spaß und verstehst die Fähigkeiten zur Lösung von Problemen mit dem Hess’schen Gesetz, die in der High School Chemie auftreten.