REAKČNÍ ENTALPIE: DEFINICE, TERMOCHEMIE, CVIČENÍ - FYZICKÝ - 2025

Entalpie reakce je termodynamický funkce, která umožňuje výpočet teplo získané nebo dodávány v chemické reakci, za předpokladu, že tato reakce došlo při konstantním tlaku. Je definována jako vnitřní energie U plus součin tlaku P objemem V látek, které se účastní chemické reakce, takto: H = U + P ∙ V

Entalpie má tedy dimenze energie a v mezinárodním systému měření se měří v joulech. Abychom pochopili vztah entalpie s výměnou tepla při chemické reakci, je třeba si pamatovat první zákon termodynamiky, který uvádí následující: Q = ΔU + W

Obrázek 1. Při spalování plynu entalpie klesá. Zdroj: pixabay

První zákon stanoví, že teplo vyměňované v termodynamickém procesu je stejné jako změna vnitřní energie látek zapojených do procesu plus práce, kterou tyto látky v procesu provádějí.

V každém procesu se práce W počítá podle následujícího vztahu:

Ve výše uvedeném výrazu Vi je počáteční objem, Vf konečný objem a P tlak. Pokud se proces provádí při konstantním tlaku P, výsledná práce bude:

Kde ΔV je změna objemu.

Definice

Chemické reakce jsou termodynamické procesy, které se obvykle vyskytují za konstantního tlaku a velmi často za atmosférického tlaku. Tento typ termodynamického procesu se nazývá „izobarický“, protože k němu dochází při konstantním tlaku.

V tomto případě lze první termodynamický zákon psát takto:

Qp = ΔU + P ∙ ΔV

Kde Qp znamená, že teplo bylo vyměněno za konstantního tlaku. Pokud je v předchozím výrazu zavedena definice entalpie H = U + P ∙ V, dostaneme:

Qp = ΔH

Pozitivní změna entalpie tedy naznačuje reakci, která odebírala teplo z okolí. To je endotermická reakce.

Naopak, pokud je změna entalpie negativní, jedná se o exotermickou reakci.

Ve skutečnosti slovo entalpie pochází z řeckého slova enthalpien, což znamená „zahřát“.

Enthalpy se také často nazývá teplo. Mělo by však být jasné, že to není totéž jako teplo, ale entalpie mění tepelná výměna během termodynamického procesu.

Vztah s teplem

Na rozdíl od tepla je entalpie funkcí státu. Při výpočtu změny entalpie vypočítáváte rozdíl dvou funkcí, které závisí výhradně na stavu systému, jako je vnitřní energie a objem.

ΔH = ΔU + P ∙ ΔV

Protože tlak zůstává při reakci konstantní, je entalpie reakce funkcí státu, která závisí pouze na vnitřní energii a objemu.

Při chemické reakci lze entalpii reaktantů definovat jako součet každého z nich; a součet produktů jako součet entalpie všech produktů.

Změna entalpie v reakci je rozdíl produktů mínus reakčních složek:

Obrázek 2. Enthalpy diagram. Zdroj: vlastní výroba.

V endotermické reakci je entalpie produktů větší než entalpie reakčních složek; to znamená, že reakce odebírá teplo z prostředí. Naopak, při exotermické reakci je entalpie reakčních složek větší než entalpie produktů, protože tato reakce uvolňuje teplo do okolí.

Standardní entalpie

Protože změna entalpie v chemické reakci může záviset na tlaku a teplotě, je obvyklé definovat standardní reakční podmínky:

Standardní reakční teplota: 25 ° C

Standardní reakční tlak: 1 atm = 1 bar.

Standardní entalpie se označuje takto: H °

Termochemie

V termochemické rovnici nezáleží jen na reaktantech a produktech, na entalpii se mění také. Entalpií se rozumí reakce na změnu, ke které během ní došlo.

Jako příklad se podívejme na následující reakce:

2 H2 (plyn) + O2 (plyn) → 2 H2O (kapalina); AH ° = -571,6 kJ (exotermický).

H2 (plyn) + (1) O2 (plyn) → H2O (kapalina); AH ° = -285,8 kJ (exotermický).

2 H2O (kapalina) → 2 H2 (plyn) + O2 (plyn); AH ° = + 571,6 kJ (endotermický).

Entalpie je rozsáhlá termodynamická veličina

Jsou-li termíny chemické rovnice násobeny nebo děleny určitým faktorem, pak se entalpie násobí nebo dělí stejnou.

Pokud je reakce obrácena, je také zvrácena známka entalpie reakce.

Řešená cvičení

-Cvičení 1

Acetylenový plyn C2H2 se získává reakcí karbidu vápenatého CaC2, který přichází v granulované formě s vodou při okolní teplotě a tlaku.

Jako data máme entalpie tvorby reakčních složek:

AH ° (CaC2) = -59,0 kJ / mol

AH ° (H20) = -285,8 kJ / mol

A entalpie tvorby produktů:

AH ° (C2H2) = +227,0 kJ / mol

AH ° (Ca (OH) 2) = -986,0 kJ / mol

Najděte standardní entropii reakce.

Řešení

První věc je zvýšit vyváženou chemickou rovnici:

CaC2 (s) + 2H20 (l) → Ca (OH) 2 (s) + C2H2 (g)

A nyní entalpie reakčních složek, produktů a reakce:

- Činidla: -59,0 kJ / mol -2 ∙ 285,8 kJ / mol = -630,6 kJ / mol

- Produkty: -986,0 kJ / mol + 227,0 kJ / mol = -759 kJ / mol

- Reakce: AH ° = -759 kJ / mol - (-630 kJ / mol) = -129 kJ / mol

Je to exotermická reakce.

- Cvičení 2

Když se za standardních podmínek spálí 1 litr acetylenu, kolik tepla se uvolní?

Řešení

Po vyvážení vypadá spalovací reakce acetylenu takto:

C2H2 (g) + (5/2) O2 (g) → 2 CO2 (g) + H20 (l)

Potřebujeme entalpie tvorby produktů:

AH ° (CO2) = -393,5 kJ / mol

AH ° (H20 (1)) = -285,8 kJ / mol

Výpočet entalpií

Na základě těchto údajů můžeme vypočítat entalpii produktů:

AH ° (produkty) = 2 * (- 393,5 kJ / mol) + (-285,8 kJ / mol) = -1072,8 kJ / mol

A entalpie tvorby reakčních složek:

AH ° (C2H2) = 227,0 kJ / mol

AH ° (O2) = 0,0 kJ / mol

Entalpie reakčních složek bude:

227,0 kJ / mol + (5/2) * 0,0 = 227,0 kJ / mol

Molární reakční entalpie pak bude: AH ° (produkty) - AH ° (reakční složky) = -1072,8 kJ / mol - 227,0 kJ / mol = -1299,8 kJ / mol

Entalpie spalování

Nyní musíme vědět, kolik molů acetylenu je za standardních podmínek litr acetylenu. K tomu použijeme rovnici stavu ideálního plynu, ze kterého vyřešíme počet molů.

Počet krtků n = P * V / (R * T)

P = 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa

V = 1 l = 1,0 x 10 ^ -3 m³

R = 8,31 J / (mol * K)

T = 25 ° C = 298,15 K

n = 0,041 mol

Entalpie spalování 1 litru acetylenu je 0,041 mol * (-1299,8 kJ / mol) = -53,13 kJ

Záporné znaménko znamená, že jde o exotermickou reakci, která uvolňuje 53,13 kJ = 12,69 kcal.

Reference

1. Kaštany E. Enthalpy v chemických reakcích. Obnoveno z: lidiaconlaquimica.wordpress.com
2. Termochemie. Entalpie reakce. Obnoveno z: recursostic.educacion.es
3. Termochemie. Definice standardní reakční entalpie. Obnoveno z: quimitube.com
4. Wikipedia. Standardní entalpie reakce. Obnoveno z: wikipedia.com
5. Wikipedia. Entalpie formace. Obnoveno z: wikipedia.com