Rozwiązywanie problemów z prawem Hessa

Prawo Hessa stwierdza, że zmiana entalpii w reakcji chemicznej (proces fizyczny też jest w porządku) jest niezależna od dróg, którymi reakcja zachodzi. Ale jak to działa?

Pochodzenie Prawa Hessa

Cóż, prawo to jest wyrazem prostego, ale ważnego prawa zachowania energii – stwierdzającego, że energia jest zachowana; energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona, a jedynie przeniesiona z jednej formy energii do innej formy energii. Na przykład, spalanie metanu obejmuje transfer energii z energii chemicznej do ciepła.

Innym powodem jest to, że „entalpia” sama w sobie jest funkcją stanu. Zmiana, zwana zmianą entalpii, zależy tylko od stanu początkowego i stanu końcowego. Kiedy idziesz z Londynu do Nowego Jorku, można użyć bezpośredniego lotu lub pośredniego lotu. Koszt i czas podróży zależy od tras, z których korzystasz. W bardziej naukowej perspektywy, praca wykonana przeciwko tarciu zależy od trasy (s) wziąć, im dłuższa trasa jesteś zaangażowany, wartość jest większa.

Z drugiej strony, dla zmiany entalpii, to nie. Jest ona niezależna od drogi (dróg), którymi zachodzi reakcja. biorąc pod uwagę te same warunki. Możesz potraktować ją jako wektor, jeśli nie chcesz wikłać się w bardziej skomplikowaną koncepcję.

Użycie prawa Hessa w zasadzie

W chemii często spotykamy się z reakcjami chemicznymi, które są odwracalne, z tworzeniem się produktów ubocznych lub reakcja nie przebiega w standardowych warunkach, jak jest to wymagane. Ograniczenia istnieją! Oszacowanie zmiany entalpii reakcji bezpośrednio przez eksperyment nie jest wykonalne. W tym przypadku, zmiana entalpii może być pośrednio wydedukowana przez prawo Hessa przy użyciu innego zestawu reakcji chemicznych, które mogą osiągnąć ten sam zestaw reagentów i produktów poprzez kombinację równań. Wybrany zestaw reakcji to zazwyczaj możliwe do przeprowadzenia doświadczenia z prostym układem doświadczalnym lub z danymi dostępnymi w zbiorze danych. Standardowa zmiana entalpii tworzenia i standardowa zmiana entalpii spalania wielu związków chemicznych są dwoma zestawami danych, które zostały dobrze zbadane przez naukowców. Dane są dostępne z dużą dokładnością i są dobrym źródłem danych do znalezienia zmiany entalpii reakcji, którą chcemy.

Standardowe warunki? Standard States?

Jako że warunki środowiska takie jak temperatura, ciśnienie i stężenie wpływają na uzyskaną wartość zmiany entalpii, musimy dobrze zdefiniować warunki i stany, których użyliśmy. Dlatego mamy standardowe warunki, standardowe stany i standardową zmianę entalpii.

Standardowe warunki odnoszą się do 1 atm, 298K, a standardowy stan odnosi się do termodynamicznie najbardziej stabilnej formy elementu.
Na przykład, grafit i diament są wykonane z węgla. Są to elementy. Ale grafit jest używany jako standardowy stan węgla, ponieważ grafit jest termodynamicznie bardziej stabilny niż diament. Ma on niższą entalpię. (W teorii nie możemy bezpośrednio zmierzyć wartość entalpii, ale możemy dojść do wniosku, biorąc pod uwagę standardową zmianę entalpii spalania grafitu i diamentu)

Tak więc, standardowa zmiana entalpii odnosi się do standardowej zmiany entalpii w standardowych warunkach i reagentów i produktów są w standardowych stanach.

W następnej części omówię techniki wykorzystujące Prawo Hessa do rozwiązywania problemów spotykanych w chemii w szkole średniej.

Standardowa zmiana entalpii spalania (ΔH°c)

Standardowa zmiana entalpii spalania jest zmianą entalpii, gdy 1 mol substancji jest spalany całkowicie w tlenie w standardowych warunkach, a wszystkie reagenty i produkty są w standardowych stanach, jeśli to konieczne. Prosty zapis standardowej zmiany entalpii spalania węgla jest zapisany w ten sposób: ΔH°c

Z definicji wynika, że,

1. reagent musi być palny. Jeżeli reagent nie jest palny, np. dwutlenek węgla. Określenie standardowej entalpii przemiany spalania dwutlenku węgla jest pozbawione sensu. Ogranicza jej zastosowanie tylko do substancji palnych, przy porównaniu ze standardową entalpią tworzenia, która ma zastosowanie w większości przypadków.
2. Współczynnik reagenta w równaniu chemicznym musi wynosić 1. Jest to ważne, ponieważ gdy używasz niewłaściwego równania do reprezentowania standardowej zmiany entalpii spalania, obliczanie dla zmiany entalpii pożądanego równania będzie na próżno. (patrz wykres poniżej)
3. Jeśli reaktory i produkty docelowego równania są wszystkie palne, możemy skorzystać z wartości standardowej zmiany entalpii spalania, aby znaleźć odpowiednie zmiany entalpii. (np. uwodornienie etenu do etanu, gdzie eten, wodór i etan są palne.)

Przykład: Uwodornienie etenu

Rozważmy uwodornienie etenu. Chcemy znaleźć zmianę entalpii uwodornienia etenu. Równanie jest następujące:

(Zauważ, że kiedy wymieniamy konkretną substancję w naszym standardowym określeniu zmiany entalpii, współczynnik tej konkretnej substancji powinien wynosić 1. Tutaj współczynnik etenu wynosi 1, teraz jest w porządku.)

Uwodornienie nie jest wykonalne w standardowych warunkach. Jak podano wyżej, wszystkie reagenty i produkty są palne. Wykorzystamy standardowe dane dotyczące zmiany entalpii spalania (które można znaleźć w databooku lub przeprowadzić eksperyment z użyciem kalorymetru bombowego), aby znaleźć nieznaną deltę H naszej docelowej reakcji.

Istnieją dwa sposoby rozwiązywania problemów związanych z prawem Hessa:

A: Metoda algebraiczna

Metoda algebraiczna jest w rzeczywistości lepszą metodą rozwiązywania problemów związanych z prawem Hessa. Jednak w większości podręczników chemii, ten ostatni „cykl entalpii” jest preferowany do użycia.

Jest to podobne do sposobu rozwiązywania problemów z równaniami równoczesnymi. Wygląda to skomplikowanie, ale w większości problemów egzaminacyjnych, można rozwiązać problem po prostu patrząc na kierunek i współczynnik reaktantów i produktów.

Zauważ, że eten i wodór (równanie 1 i równanie 2) są po lewej stronie, czyli w tym samym kierunku, co pożądane równanie, a etan jest w przeciwnym kierunku. Pojawiają się one również tylko raz, co oznacza, że żadne inne równania nie będą miały wpływu na współczynnik substancji, który ustaliliśmy.

Możemy to przekształcić przez pomnożenie -1 do delta H3, aby odwrócić równanie 3 w przeciwnym kierunku, tak aby etan był po prawej stronie.Wyniki pokazują zależność:

Patrz! Zadanie zostało rozwiązane, a odpowiedź brzmi:

Po wprowadzeniu cyklu entalpii rozważymy trudniejszy przypadek.

B: Cykl entalpii.

Możemy również skonstruować cykl entalpii krok po kroku, aby rozwiązać problem z prawem Hessa.

Czerwony odnosi się do równania 1, zielony do równania 2, a fioletowy do równania 3. Należy uważać na liczbę dodanego tlenu i reprezentację zmiany entalpii. Kroki po stronie reaktora są zwykle połączone w jeden krok w podręczniku, ale chcę pokazać krok po kroku dla odniesienia. ta sama liczba tlenu są dodawane (3.5). Jeśli nie jest taka sama, oznacza to, że coś złego się stało.

Możemy traktować strzałkę jako wektor i użyć „metody head-to-tail”, aby rozwiązać problem. Suma jest równa ogonowi dodanemu do głowy.

Więc równania 1 i 2 są w tym samym kierunku co nasza strzałka, a równanie 3 jest przeciwne do naszej strzałki. Stąd równanie 3 odwracamy, aby odwrócić kierunek. Mamy ten sam wynik.

Przykład: Uwodornienie etenu

Tym razem korzystamy z tego samego równania, ale wykorzystując do rozwiązania zadań dane o standardowej entalpii zmiany tworzenia.

Standardowa entalpia zmiany tworzenia to zmiana entalpii, gdy 1 mol substancji powstaje z jej elementów składowych w ich stanach standardowych w warunkach standardowych. Głównym aktorem jest produkt, a współczynnik produktu podany w równaniu musi wynosić jeden. Prosty zapis standardowej zmiany entalpii tworzenia dwutlenku węgla jest zapisany w ten sposób: ΔH°f

Schematy przedstawiają metodę algebraiczną i cykl entalpii do rozwiązania zadania.

Uwaga:

1. Standardowa zmiana entalpii tworzenia wodoru wynosi zero. Można to zrozumieć patrząc na przedstawione równanie. To nic nie znaczy.
2. Zastosowanie przy użyciu standardowej entalpii zmiany danych formacji ma większą elastyczność niż standardowa entalpia zmiany spalania (która ogranicza się do substancji, która jest palna.)

Taktyka, aby rozwiązać Prawo Hessa

Do tej pory wydaje się, że problemy są łatwe do rozwiązania zarówno przez średnią algebraiczną i cykl entalpii. Zobaczmy następujący przykład.

Trudność:

1. Nitrogen, wodór pojawiają się więcej niż raz w zestawie równań.
2. Skonstruowanie cyklu entalpii wymaga skomplikowanych kroków.

Rozwiązanie:

Metoda algebraiczna

Rozwiąż najpierw łatwiejsze zmienne, tzn. substancje, które występują tylko raz – chlor i chlorowodór.

Spróbuj znaleźć działanie na równaniu 2, korzystając z równania 1 i równania 3.

Ammonia pojawia się po prawej stronie. Nie pojawia się on w naszym równaniu docelowym. Musi zostać zniwelowany przez pozostałe równanie 2. Aby wyeliminować amoniak, zmianę entalpii należy pomnożyć przez -1. Wyniki są następujące.

Cykl entalpii

Musimy dodać po obu stronach taką samą liczbę amoniaku, aby połączyć nasze docelowe równanie z równaniem 2. W przeciwnym razie nawet nie możemy skonstruować cyklu z powodu braku substancji, które pasują do jakiegokolwiek układu równań.

Następnie, jak zwykle, zaczynamy z obu stron i konstruujemy cykl:

Od ogona do głowy otrzymujemy ten sam wynik:

Metoda algebraiczna jest lepszą metodą i czasami na egzaminie otwartym wymaga się rozwiązania zadania z wykorzystaniem cyklu entalpii. Kiedy pytanie staje się trudne, można pomyśleć o cyklu entalpii, rozwiązując go najpierw metodą algebraiczną. Dodaj niezbędne elementy/związki na początku po obu stronach, aby „zainicjować” swój cykl entalpii.

Mam nadzieję, że spodoba Ci się i zrozumiesz umiejętności rozwiązywania problemów związanych z prawem Hessa napotkanych w liceum chemicznym.