آنتالپی – فرمول و مثال

ما در مورد آنتالپی یاد گرفته ایم . زمانی که فشار ثابتی داریم از آنتالپی استفاده می کنیم . در فشار ثابت، آنتالپی را با گرمای مساوی تعریف کردیم . بنابراین، کار فشار-حجم را در نظر نمی گیرد . در عوض، مقداری از انتقال انرژی بین انرژی جنبشی و پتانسیل را به ما می دهد. اگر یک واکنش گرمازا باشد ، مقداری انرژی پتانسیل به جنبشی منتقل می شود. افزایش انرژی جنبشی برابر با دمای بالاتر است . در واکنش های گرماگیر، انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل منتقل می شود. دما کاهش یافته است.

اکنون، ما قصد داریم نحوه محاسبه تغییرات آنتالپی را مطالعه کنیم.

روش های محاسبه آنتالپی

چهار روش برای محاسبه تغییرات آنتالپی وجود دارد. آنها در زیر فهرست شده اند. ما به هر یک نگاه خواهیم کرد. هر فرآیند کمی متفاوت است. اما، همه آنها باید نتایج یکسانی داشته باشند. ممکن است یکی برای یک مشکل راحت تر باشد. اما، ممکن است برای سوال دیگری، یکی دیگر بهتر باشد. اما، شما فقط می توانید روشی را که بیشتر دوست دارید یاد بگیرید و هر بار از آن استفاده کنید.

1. آنتالپی برای مواد و تغییرات فاز:$س=\mathrm{متر}{ج}_{پ}D\mathrm{تی}$.
2. انرژی باند
3. قانون هس
4. تشکیل آنتالپی

آنتالپی برای مواد گرمایشی و تغییرات فاز

در فشار ثابت، آنتالپی برابر با گرما است. به یاد داشته باشید که گرما انتقال انرژی است که در اثر اختلاف دما ایجاد می شود. بنابراین، اساسی ترین شکل تغییر آنتالپی چیست؟ گرم کردن چیزی از یک دما به دمای دیگر.

فرض کنید می خواهیم 50.0 گرم آب را گرم کنیم. بیایید از 25.0 درجه سانتیگراد شروع کنیم و در 50.0 درجه سانتیگراد به پایان برسانیم. ما می خواهیم انرژی (آنتالپی) مورد نیاز برای دو برابر شدن دما را بدانیم. خوشبختانه ما یک معادله ساده داریم،$س=\mathrm{متر}{ج}_{پ}D\mathrm{تی}$.

• $س$گرما است
• $\mathrm{متر}$جرم ماده ما است . در این مورد، 50.0 گرم آب است.
• ${ج}_{پ}$ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت است . برای آب مایع ، این است$4.18\frac{\mathrm{جی}}{g{\times }^o\mathrm{سی}}$.
• $D\mathrm{تی}$تغییر دما است

به عنوان یک نکته جانبی، استفاده معمولی برای این معادله گرم کردن مواد یا محلول های خالص است . اما وقتی کالری سنجی را مطالعه می کنیم ، می توانیم از آن برای واکنش های شیمیایی استفاده کنیم. در کالری سنجی، ما باید سیستم خود را خیلی خاص تعریف کنیم. و ما باید ظرفیت گرمایی ویژه کالری سنج را بدانیم .

بیایید مشکل را حل کنیم.

$D\mathrm{اچ}=س=50.0g\times 4.18\frac{\mathrm{جی}}{g^o\mathrm{سی}}\times (50.0–25.0{)}^o\mathrm{سی}=5225.0\mathrm{جی}$

ما همچنین می توانیم مسائل آنتالپی را برای تغییرات فاز حل کنیم . اما، ما باید در مورد نمودارهای تغییر فاز فکر کنیم . دو خط صاف در نقاط ذوب و تبخیر وجود دارد . اما دما تغییر نمی کند. اگر استفاده کردیم$س=\mathrm{متر}{ج}_{پ}D\mathrm{تی}$، انرژی صفر خواهد بود. این درست به نظر نمی رسد. خوشبختانه، شیمیدانان به طور تجربی آنتالپی های ذوب و تبخیر را تعیین کرده اند. ما فقط باید آنها را جستجو کنیم.

پس بیایید 50.0 گرم یخ از آن بگیریم$–2^o\mathrm{سی}$به${101}^o\mathrm{سی}$.

ابتدا یخ را گرم می کنیم$–2^o\mathrm{سی}$به$0^o\mathrm{سی}$. ظرفیت گرمایی ویژه یخ است$2.03\frac{\mathrm{جی}}{g{\times }^O\mathrm{سی}}$.

$D\mathrm{اچ}=س=50.0g\times 2.03\frac{\mathrm{جی}}{g{\times }^O\mathrm{سی}}\times (0–(–2){)}^o\mathrm{سی}=203.0\mathrm{جی}$.

بعد یخ را آب می کنیم. آنتالپی استاندارد ذوب است$333.55\frac{\mathrm{جی}}{g}$.

$D\mathrm{اچ}=س={\mathrm{اچ}}_{\mathrm{متر}هل\mathrm{تی}}\times \mathrm{متر}=333.55\frac{\mathrm{جی}}{g}\times 50.0g=16677.5\mathrm{جی}$

حالا می توانیم آب مایع را تا نقطه ذوب آن گرم کنیم.

$D\mathrm{اچ}=س=50.0g\times 4.18\frac{\mathrm{جی}}{g^o\mathrm{سی}}\times (100.0–0.0{)}^o\mathrm{سی}=20900.0\mathrm{جی}$

حال باید آب مایع خود را به بخار تبدیل کنیم. ما از آنتالپی استاندارد تبخیر استفاده می کنیم. این است$2260.0\frac{\mathrm{جی}}{g}$.

$\(\Delta H=Q=H_{vap}\times m=2260.0 \frac{J}{g}\times 50.0g=113000 J\).

در نهایت، ما می توانیم دمای بخار خود را افزایش دهیم${100}^o\mathrm{سی}$به${101}^o\mathrm{سی}$.

$D\mathrm{اچ}=س=50.0g\times 1.996\frac{\mathrm{جی}}{g^o\mathrm{سی}}\times (101.0–100.0{)}^o\mathrm{سی}=99.8\mathrm{جی}$.

اگر تمام مراحل را جمع کنیم، آنتالپی کل خود را پیدا می کنیم.

$D\mathrm{اچ}=س=99.8\mathrm{جی}+113000\mathrm{جی}+20900.0\mathrm{جی}+16677.5\mathrm{جی}++203.0\mathrm{جی}=150880.3\mathrm{جی}$

انرژی باند

بنابراین، دیدیم که می‌توانیم گرمای مواد را محاسبه کنیم. اما در مورد آنتالپی واکنش های شیمیایی چطور ؟ روش های متعددی وجود دارد. اما، یکی از ساده ترین آنها انرژی های پیوند است. شیمیدانان انرژی لازم برای شکستن بسیاری از پیوندهای مختلف را تعیین کرده اند . برای شکستن پیوندها انرژی لازم است. شکستن پیوندها گرماگیر است. اما، انرژی را برای تشکیل یک پیوند آزاد می کند. به یاد داشته باشید که کمترین انرژی پایدارترین است. بنابراین، تشکیل پیوندها گرمازا است.

به خاطر سپردن فرمول انرژی پیوند آسان است. ما می توانیم مقادیر شکستن و تشکیل پیوندها را جستجو کنیم. اما، تمام آنتالپی های پیوند برای گازها هستند . بنابراین، اگر مایعی دارید، باید گرمای تبخیر را اضافه کنید.

$D\mathrm{اچ}=\mathrm{اس}{\mathrm{اچ}}_{بroکهn}–\mathrm{اس}{\mathrm{اچ}}_{for\mathrm{متر}هد}$.

بیایید به احتراق متان نگاه کنیم.

$\mathrm{سی}{\mathrm{اچ}}_{4\left(g\right)}+2O_{2\left(g\right)}\to \mathrm{سی}{O}_2\left(g\right)+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(ل\right)}$

شکسته: – 4 CH –$4\times 415.5\frac{کj}{\mathrm{متر}oل}=1662.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$ – 2 O=O –$2\times 498.0\frac{کj}{\mathrm{متر}oل}=996.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$

• جمع:$2658.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$

تشکیل شده: – 2 C=O –$2\times 805.0\frac{کj}{\mathrm{متر}oل}=1610.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$ –$2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(ل\right)}$–$2\times D{\mathrm{اچ}}_{vآپ}=2\times 41\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}=82.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$ – 4 OH –$4\times 464.0\frac{کj}{\mathrm{متر}oل}=1856.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$

• جمع:$3548.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$

$D\mathrm{اچ}={س}_{پ}=2648.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}–3548.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}=–890.0\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$

بنابراین، احتراق متان گرمازا است. انرژی آزاد می کند. در مقیاس مولکولی چه اتفاقی می افتد؟ محصولات انرژی کمتری نسبت به واکنش دهنده ها دارند. پیوندها انرژی بالقوه را ذخیره می کنند. با شکستن پیوندها، مقداری از انرژی پتانسیل آنها به انرژی جنبشی منتقل شد. افزایش انرژی جنبشی باعث افزایش دما می شود. گرمایی که ما محاسبه کردیم میزان انتقال انرژی است.

قانون هس

ما آموخته ایم که آنتالپی یک تابع حالت است . فقط به شرایط اولیه و نهایی بستگی دارد. مسیر مهم نیست! بنابراین، ما می توانیم واکنش ها را به مراحل تقسیم کنیم. ما فقط به مراحلی نیاز داریم که به واکنش کلی خود اضافه کنیم. سپس می توانیم آنتالپی هر مرحله را اضافه کنیم تا آنتالپی کلی خود را پیدا کنیم. این شبیه به مکانیسم های واکنش است . این فرآیند قانون هس نامیده می شود. خوشبختانه، شیمیدانان آنتالپی را برای بسیاری از واکنش های مختلف تعیین کرده اند. بنابراین، ما فقط باید به دنبال مقادیر باشیم.

بیایید به احتراق متان برگردیم.

$\mathrm{سی}{\mathrm{اچ}}_{4\left(g\right)}+2O_{2\left(g\right)}\to \mathrm{سی}{O}_2\left(g\right)+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(ل\right)}$

می توانیم آن را در دو مرحله بنویسیم. هر مرحله یک معادله ترموشیمیایی است.

1. $\mathrm{سی}{\mathrm{اچ}}_{4\left(g\right)}+2O_{2\left(g\right)}\to \mathrm{سی}{O}_2\left(g\right)+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(g\right)}$ $D\mathrm{اچ}=–802.0ک\mathrm{جی}$
2. $2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(g\right)}\to 2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(ل\right)}$ $D\mathrm{اچ}=–88.0ک\mathrm{جی}$

مانند مکانیسم واکنش، می توانیم دو معادله را اضافه کنیم. ما هر مولکولی را که هم محصول و هم واکنش دهنده باشد، خنثی می کنیم. آنتالپی ها را هم اضافه می کنیم.

$\mathrm{تی}o\mathrm{تی}آل:\mathrm{سی}{\mathrm{اچ}}_{4\left(g\right)}+2O_{2\left(g\right)}+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(g\right)}\to \mathrm{سی}{O}_2\left(g\right)+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(g\right)}+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(ل\right)}$ $D\mathrm{اچ}=–802.0ک\mathrm{جی}+–88.0ک\mathrm{جی}=–890.0ک\mathrm{جی}$.

می بینیم که آنتالپی ما همان روش انرژی پیوند بود.

آنتالپی های تشکیل

شیمیدانان همچنین نوع منحصر به فردی از آنتالپی را تعیین کرده اند. ما آن را آنتالپی استاندارد تشکیل ($D{\mathrm{اچ}}_f^o$). این آنتالپی ساخت یک مولکول از عناصر آن است . استفاده از آنتالپی سازند کاربرد قانون هس است. دوباره، ما مقادیر را جستجو می کنیم و همه چیز را جمع می کنیم.

بیایید به احتراق متان برگردیم.

$\mathrm{سی}{\mathrm{اچ}}_{4\left(g\right)}+2O_{2\left(g\right)}\to \mathrm{سی}{O}_2\left(g\right)+2{\mathrm{اچ}}_2{O}_{\left(ل\right)}$

• $\mathrm{سی}{\mathrm{اچ}}_{4\left(g\right)}\to \mathrm{سی}\left(س\right)+2{\mathrm{اچ}}_{2\left(g\right)}$ $D{\mathrm{اچ}}_f=74.8\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$
• اکسیژن یک عنصر دو اتمی است . در حال حاضر در حالت اولیه خود است. پس اینطور$D{\mathrm{اچ}}_f=0$.
• ${\mathrm{سی}}_{س}+O_{2\left(g\right)}\to \mathrm{سی}{O}_{2\left(g\right)}$ $D{\mathrm{اچ}}_f=393.2\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$
• ${\mathrm{اچ}}_{2\left(g\right)}+\frac{1}{2}{O}_{2\left(g\right)}\to 1{\mathrm{اچ}}_2{O}_{ل}$ $D{\mathrm{اچ}}_f=285.8\frac{ک\mathrm{جی}}{\mathrm{متر}oل}$

توجه کنید که واکنش ما دو مول آب مایع را تشکیل می دهد. بنابراین، ما باید دو برابر کنیم$D{\mathrm{اچ}}_f$.

$D\mathrm{اچ}=\mathrm{اس}D{\mathrm{اچ}}_{f\left(rهآج\mathrm{تی}آn\mathrm{تی}س\right)}–\mathrm{اس}D{\mathrm{اچ}}_{f\left(پroد\mathrm{تو}ج\mathrm{تی}س\right)}=74.8ک\mathrm{جی}–393.2ک\mathrm{جی}–2\times 285.8ک\mathrm{جی}=–890.0ک\mathrm{جی}$.