Jak obliczyć ciepło reakcji chemicznej?
Ciepło reakcji chemicznej, oznaczane jako ΔH, oblicza się najczęściej za pomocą prawa Hessa. Wystarczy przekształcić podane równania tak, aby po ich zsumowaniu otrzymać reakcję szukaną, a następnie wykonać te same działania na wartościach entalpii.
Czym jest entalpia reakcji?
W zadaniach szkolnych ciepło reakcji utożsamia się ze zmianą entalpii ΔH. Jest to różnica między stanem końcowym a początkowym układu. Entalpia jest funkcją stanu, więc zależy od tego, jakie substancje znajdowały się na początku i jakie powstały na końcu, a nie od drogi, którą przebiegała przemiana.
Prawo Hessa wykorzystuje tę właściwość. Pozwala potraktować równania reakcji jak matematyczną układankę. Możesz je odwracać, mnożyć przez liczby i dodawać, aby uzyskać równanie docelowe. Każdej takiej operacji musi towarzyszyć identyczna operacja na wartości ΔH.
Entalpia tworzenia a entalpia spalania
Przed rozpoczęciem obliczeń trzeba rozpoznać, jakiego rodzaju dane podano. Entalpia tworzenia i entalpia spalania opisują różne procesy, choć obie są wyrażane w tych samych jednostkach.
| Cecha | Entalpia tworzenia | Entalpia spalania |
|---|---|---|
| Definicja | Zmiana entalpii podczas powstawania 1 mola związku z pierwiastków w ich trwałych formach. | Zmiana entalpii podczas całkowitego spalenia 1 mola substancji w tlenie. |
| Warunki | Substratami są pierwiastki, na przykład C(grafit) i H2(g). | Substratem jest spalana substancja, a jednym z reagentów jest O2. |
| Jednostka | kJ·mol−1 | kJ·mol−1 |
Ujemna wartość ΔH oznacza, że energia została wydzielona do otoczenia, czyli reakcja jest egzotermiczna. Dodatnia wartość wskazuje na pobieranie energii przez układ, a więc reakcję endotermiczną.
Jak stosować prawo Hessa krok po kroku?
Algorytm rozwiązywania zadania można zapisać w kilku powtarzalnych etapach:
- Zapisz równanie reakcji, której entalpię trzeba obliczyć.
- Wybierz podane równania, które zawierają potrzebne substraty i produkty.
- Odwróć równanie, jeśli substancje znajdują się po niewłaściwych stronach.
- Pomnóż albo podziel równanie, jeśli współczynniki stechiometryczne nie pasują do reakcji docelowej.
- Dodaj przekształcone równania i skróć substancje występujące po obu stronach.
- Wykonaj te same działania na wartościach ΔH i sprawdź jednostkę wyniku.
Najważniejsze zasady działań na równaniach termochemicznych są następujące:
- Odwrócenie równania powoduje zmianę znaku ΔH, na przykład z −100 kJ na +100 kJ.
- Pomnożenie równania przez 2 wymaga pomnożenia ΔH przez 2.
- Podzielenie równania przez 2 wymaga podzielenia ΔH przez 2.
- Dodawanie równań oznacza dodawanie ich wartości ΔH.
Przykład obliczenia entalpii syntezy metanu
Obliczmy entalpię reakcji tworzenia metanu z grafitu i wodoru:
C(s, grafit) + 2H2(g) → CH4(g)
Załóżmy, że znane są następujące równania termochemiczne:
C(s, grafit) + O2(g) → CO2(g) ΔH1
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔH2
H2(g) + ½O2(g) → H2O(l) ΔH3
Najpierw pozostawiamy pierwsze równanie bez zmian. Drugie trzeba odwrócić, ponieważ metan ma być produktem reakcji docelowej:
CO2(g) + 2H2O(l) → CH4(g) + 2O2(g)
Odwrócenie równania zmienia entalpię z ΔH2 na −ΔH2. Trzecie równanie mnożymy przez 2, aby otrzymać dwie mole wody:
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
Jego entalpia wynosi 2ΔH3. Po zsumowaniu trzech równań substancje pośrednie, czyli CO2, H2O i O2, skracają się. Otrzymujemy:
C(s, grafit) + 2H2(g) → CH4(g)
Zatem:
ΔH = ΔH1 − ΔH2 + 2ΔH3
Jeżeli w zadaniu podano konkretne wartości entalpii, podstawiasz je do tego wyrażenia z zachowaniem znaków. Nie zmieniaj znaku liczby „na wyczucie”. Znak zmienia się tylko wtedy, gdy odwracasz równanie, a wartość skaluje się wtedy, gdy zmieniasz jego współczynniki.
Na co uważać podczas obliczeń?
Najwięcej błędów wynika nie z trudnych obliczeń, lecz z niepoprawnego przekształcania równań termochemicznych. Przed zapisaniem wyniku sprawdź:
- czy reakcja docelowa ma właściwe substancje po obu stronach strzałki,
- czy po odwróceniu równania zmienił się znak ΔH,
- czy po pomnożeniu równania pomnożono także jego entalpię,
- czy wszystkie niepotrzebne substancje skróciły się po zsumowaniu równań,
- czy nie pomylono entalpii tworzenia z entalpią spalania.
Najkrótsza zasada brzmi: najpierw dopasuj równania chemiczne, potem wykonaj dokładnie te same działania na wartościach ΔH. Dzięki temu prawo Hessa staje się procedurą rachunkową, a nie jedynie definicją do zapamiętania.
