Lösning av problem med Hess’ lag

Hess’ lag säger att entalpiförändringen i en kemisk reaktion (fysikalisk process är också okej) är oberoende av hur reaktionen äger rum. Men hur fungerar den?

Hess lagens ursprung

Ja, lagen är ett uttryck för den enkla men viktiga lagen om energins bevarande – som säger att energi bevaras; energi kan varken skapas eller förstöras, utan endast överföras från en energiform till en annan energiform. Exempelvis innebär förbränning av metan energiöverföring av kemisk energi till värme.

Ett annat skäl är att ”entalpi” i sig är en tillståndsfunktion. Förändringen, som kallas entalpiförändring, beror endast på det initiala tillståndet och det slutliga tillståndet. När du åker från London till New York kan du använda direktflyg eller indirektflyg. Kostnaden och restiden beror på vilka rutter du använder. I ett mer vetenskapligt perspektiv beror det arbete som utförs mot friktion på den eller de rutter du tar, ju längre rutt du involverar, desto större är värdet.

Det gör det däremot inte för entalpiförändring. Den är oberoende av den eller de vägar som reaktionen sker på. givet samma förhållanden. Man kan behandla det som en vektor om man inte vill sätta sig in i mer komplicerade begrepp.

Användning av Hess lag i princip

I kemin stöter vi ofta på kemiska reaktioner som är reversibla, med bildning av sidoprodukter eller att reaktionen inte äger rum under standardförhållanden som krävs. Begränsningar finns! Det är inte möjligt att utvärdera entalpiändringen av reaktionen direkt genom experiment. I detta fall kan entalpiförändringen indirekt härledas genom Hess’ lag med hjälp av en/annan uppsättning kemiska reaktioner som kan ge samma uppsättning reaktanter och produkter genom en kombination av ekvationer. De reaktioner som väljs är vanligen genomförbara experiment med enkel experimentuppställning eller med data som finns tillgängliga i databoken. Standard entalpiförändring vid bildning och standard entalpiförändring vid förbränning av många kemikalier är två datamängder som har studerats väl av forskare. Data är tillgängliga med hög noggrannhet och de är en bra datakälla för att ta reda på entalpiändringen för den reaktion vi vill ha.

Standardförhållanden? Standardtillstånd?

Eftersom miljöförhållanden som temperatur, tryck och koncentration påverkar det erhållna entalpiändringsvärdet måste vi väl definiera de förhållanden och tillstånd vi använt. Därför har vi standardförhållanden, standardtillstånd och standard entalpiändring.

Standardförhållanden avser 1 atm, 298 K och standardtillstånd avser den termodynamiskt mest stabila formen av ett grundämne.
Till exempel är grafit och diamant gjorda av kol. De är grundämnen. Men grafit används som standardtillstånd för kol eftersom grafit är termodynamiskt stabilare än diamant. Den har en lägre entalpi. (I teorin kan vi inte direkt mäta entalpivärdet, men vi kan dra slutsatsen genom att betrakta standard entalpiändringen vid förbränning av grafit och diamant)

Sålunda hänvisar standard entalpiändringen till standard entalpiändringen under standardförhållanden och reaktanter och produkter befinner sig i standardtillstånd.

I följande del kommer jag att diskutera de tekniker som använder Hess lag för att lösa problem som man stöter på i kemi på gymnasiet.

Standard entalpiförändring vid förbränning (ΔH°c)

Standard entalpiförändring vid förbränning är entalpiförändringen när 1 mol ämne förbränns helt och hållet i syre under standardförhållanden och alla reaktanter och produkter ska vid behov vara i standardtillstånd. En enkel notation av standard entalpiförändring vid förbränning av kol skrivs på följande sätt: ΔH°c

Utifrån definitionen betyder det,

1. Reaktanten måste vara brännbar. Om reaktanten inte är brännbar, t.ex. koldioxid. Att definiera standard entalpiförändring vid förbränning av koldioxid är meningslöst. Det begränsar dess användning till endast brännbara ämnen, när man jämför med standard entalpi för bildning som är tillämplig i de flesta fall.
2. Reaktantens koefficient i den kemiska ekvationen måste vara 1. Det är viktigt eftersom om du använder fel ekvation för att representera standard entalpiändringen vid förbränning, kommer beräkningen av entalpiändringen för önskad ekvation att vara förgäves. (se diagrammet nedan)
3. Om reaktanterna och produkterna i den eftersträvade ekvationen alla är brännbara kan vi använda oss av värdena för standard entalpiändring vid förbränning för att hitta respektive entalpiändring. (t.ex. hydrering av eten till etan, där eten, väte och etan alla är brännbara.)

Exempel: Hydrering av eten

Observera hydreringen av eten. Vi vill hitta entalpiförändringen vid hydrering av eten. Ekvationen är följande:

(Lägg märke till att när vi nämner ett visst ämne i vår standardterm för entalpiändring ska koefficienten för det aktuella ämnet vara 1. Här är koefficienten för eten 1, det är okej nu.)

Hydreringen är inte genomförbar under standardförhållanden. Som anges ovan är alla reaktanter och produkter brännbara. Vi kommer att använda oss av standarddata om förbränningsenthalpiförändring (som kan hittas i databöcker eller utföras genom experiment med hjälp av en bombkalorimeter) för att ta reda på det okända delta H för vår målinriktade reaktion.

Det finns två sätt att lösa problem med Hess’ lag:

A: Algebraisk metod

Den algebraiska metoden är faktiskt en bättre metod för att lösa problem med Hess’ lag. I de flesta läroböcker i kemi föredrar man dock att använda den senare ”entalpicykeln”.

Det liknar det sätt på vilket man löser ett problem med simultana ekvationer. Det ser knepigt ut, men i de flesta examinationsuppgifter kan du lösa problemet genom att bara titta på reaktanternas och produkternas riktning och koefficient.

Bemärk att eten och väte (ekvation 1 och ekvation 2) står till vänster, vilket är i samma riktning som den önskade ekvationen, och etan står i motsatt riktning. De förekommer också endast en gång, vilket innebär att inga andra ekvationer kommer att påverka den ämneskoefficient som vi har ställt in.

Vi kan omvandla den genom att multiplicera -1 till delta H3 för att vända ekvation 3 i motsatt riktning så att etan står på höger sida.Resultatet visar förhållandet:

Se! Problemet är löst och svaret är:

Vi kommer att betrakta ett svårare fall efter att ha infört entalpicykeln.

B: entalpicykel.

Vi kan också konstruera en entalpicykel steg för steg för att lösa problemet med Hess lag.

Den röda hänvisar till ekvation 1, den gröna hänvisar till ekvation 2 och den lila hänvisar till ekvation 3. Akta dig för antalet syre som tillsätts och representationen av entalpiändringen. Stegen på reaktorsidan kombineras vanligtvis till ett steg i läroboken, men jag vill visa dig steg för steg som referens. samma antal syre tillsätts (3,5). Om det inte är samma betyder det att något fel har hänt.

Vi kan behandla pilen som en vektor och använda ”head-to-tailmetoden” för att lösa problemet. Summan är lika med svansen adderad till huvudet.

Så ekvationerna 1 och 2 är i samma riktning som vår pil och ekvation 3 är motsatt till vår pil. Därför vänds ekvation 3 för att vända på riktningen. Vi får samma resultat.

Exempel: Hydrogenering av eten

Denna gång använder vi samma ekvation, men med hjälp av data om standard entalpiförändring för bildning för att lösa problemen.

Standard entalpiförändring för bildning är entalpiförändringen när 1 mol av ämnet bildas från dess beståndsdelar i deras standardtillstånd under standardförhållanden. Huvudaktören är produkten och den produktkoefficient som anges i ekvationen måste vara lika med ett. En enkel notation av standard entalpiförändring för bildning av koldioxid skrivs på detta sätt: ΔH°f

Diagrammen visar algebraisk metod och entalpicykel för att lösa problemet.

Anmärkningar:

1. Den standardmässiga entalpiändringen för bildning av väte är noll. Du kan förstå det genom att titta på den representerade ekvationen. Det betyder ingenting.
2. Användningen med hjälp av data om standard entalpiändring av bildning har en större flexibilitet än den med standard entalpiändring av förbränning (som begränsar sig till ämne som är brännbart.)

Taktik för att lösa Hess lag

Så här långt verkar det som om problemen är lätta att lösa med både algebraiskt medelvärde och entalpicykel. Låt oss se följande exempel.

Svårighet:

1. Väte, väte förekommer mer än en gång i ekvationsuppsättningen.
2. Att konstruera entalpicykeln kräver knepiga steg.

Lösning:

Algebraisk metod

Lös de enklare variablerna först, dvs. ämnen som bara förekommer en gång – klor och väteklorid.

Försök att ta reda på operationen på ekvation 2 med hjälp av känd ekvation 1 och ekvation 3.

Ammoniak förekommer på höger sida. Det förekommer inte i vår målekvation. Den måste utplånas i den återstående ekvationen 2. För att eliminera ammoniak ska entalpiändringen multipliceras med -1. Resultaten följer.

Enthalpycykel

Vi måste lägga till båda sidorna med samma antal ammoniak för att koppla ihop vår målekvation med ekvation 2. Annars kan vi inte ens konstruera cykeln eftersom det inte finns några ämnen som passar in i någon uppsättning ekvationer.

Sedan, som vanligt, börjar vi från endera sidan och konstruerar cykeln:

Från svans till huvud får vi samma resultat:

Algebraisk metod är en bättre metod och ibland i öppna tentamen krävs det att du löser problemet med hjälp av entalpicykeln. När frågan blir svår kan du tänka på entalpicykeln genom att först lösa den med algebraisk metod. Lägg till nödvändiga grundämnen/föreningar i början på båda sidor för att ”inleda” din entalpicykel.

Jag hoppas att du tycker om och förstår lösningsmetoderna för problem med Hess’ lag som man stöter på i kemin på gymnasiet.