Hessi seadus ja reaktsiooni entalpia

Vali reaktsioon, mida keegi otse mõõta ei saa. Korruta, pööra ja liida alltoodud mõõdetud reaktsioone, kuni kõik sihtreaktsiooni mittekuuluv taandub ja entalpia selgub summast.

Näidisarvutus — Hessi seadus ja reaktsiooni entalpia

Reaktsioon 1, ×1	−393,5 kJ/mol
Reaktsioon 2, ×1	−283,0 kJ/mol
Sinu kombinatsioon	−676,5 kJ/mol

Need on väärtused, mida kalkulaator lehe avamisel näitab. Muuda ülal mõnda sisendit, et need ümber arvutada.

Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Õppetund

Teooria — Hessi seadus ja reaktsiooni entalpia

Reaktsiooni entalpiamuut, ΔH, on soojus, mida see vahetab ümbritseva keskkonnaga konstantsel rõhul: negatiivne soojust eraldades, positiivne seda neelates. Hessi seadus ütleb, et ΔH sõltub ainult sellest, kus reaktsioon algab ja kus see lõpeb. Seetõttu saab reaktsioone liita nagu võrrandeid. Pööra üks neist ringi ja selle ΔH märk muutub; korruta ühte ja ka selle ΔH korrutatakse. Arvutustes kasutatakse standardseid tekkeentalpiaid, ΔfH°, mis tähistab ühe mooli aine tekkimise ΔH-d selle elementidest nende standardolekus. See muudab lihtaine ΔfH° nulliks: ΔH° = Σ ν ΔfH°(products) − Σ ν ΔfH°(reactants).

Mida iga sümbol tähendab

ΔH: kirjapandud reaktsiooni entalpiamuut, ühikuga kJ reaktsiooni mooli kohta. Võrrandi kahekordistamisel kahekordistub ka see
ΔfH°: standardne tekkeentalpia ühikuga kJ/mol: see on ΔH ühe mooli aine tekkimisel lihtainetest tingimustel 25 °C ja 1 bar
ν: iga aine stöhhiomeetriline kordaja tasakaalustatud võrrandis

Eeldab: Kõik toimub tingimustel 25 °C ja 1 bar. Tekkeentalpiad on ümardatud täpsuseni 0,1 kJ/mol, mis on täpsem, kui osad neist tegelikult teada on: benseeni oma on ±0,9 ja tsüklohekseeni oma ±1,0. Seega kehtib 150,4 umbes kahe kilodžauli, mitte selle viimase numbri piires. Faas on aine lahutamatu osa. H₂O(l) ja H₂O(g) on siin lehel erinevad ained, mille entalpiate vahe on 44,0 kJ/mol. Kõiki kolme C₆ ringi vaadeldakse gaasidena, et benseeni võrdlusesse ei peituks aurustumissoojust.
Ei kehti, kui: Rangelt võttes temperatuuridel, mis erinevad 25 °C-st. ΔH ise muutub temperatuuriga saaduste ja lähteainete soojusmahtuvuste vahe võrra (Kirchhoffi seadus termokeemias). Seetõttu toob 298 K väärtuse kasutamine 1 000 °C ahju puhul kaasa vea, mida see leht ei näita. Seadus ise kehtib edasi: olekufunktsioon on teest sõltumatu igal temperatuuril, muutub vaid arv.

Soojus, mida ei saa mõõta, on teada kilodžauli kümnendiku täpsusega 🖖

Kalorimeetris põletatud süsinik annab tulemuseks CO₂ või segu, kuid mitte kunagi puhast süsinikmonooksiidi. Seetõttu ei saa sihtreaktsiooni iseseisvalt läbi viia. Vajuta Näita lahendust: reaktsioon 1 päripäeva, reaktsioon 2 tagurpidi. Astmestik langeb CO₂-ni 393,5 kJ/mol ja tõuseb tagasi CO-ni 283,0 kJ/mol. Üle jääb sihtreaktsioon −110,5 kJ/mol. Parempoolne otsene nool jõuab täpselt sinna, kuhu astmestikki, sest entalpia on kolvis olevate ainete, mitte nendeni jõudmise teekonna omadus. Orgaaniliste ühendite puhul on peaaegu iga teatmikest leitav tekkeentalpia saadud just nii: põleta ühend, põleta selle lihtained ja lahuta.

Benseen on oma joonisest 150 kJ/mol stabiilsem 🖖

Tsüklohekseenil on üks C=C kaksikside ja vesiniku liitmine sellele vabastab 118,8 kJ/mol. Benseeni joonistatakse kolmega, seega peaks see vabastama kolm korda rohkem, −356,4 kJ/mol. Lahenda benseeni ülesanne ja põlemisreaktsioonid annavad tulemuseks −206,0. Teisel paneelil märgib punktiirjoon kohta, kus nool lõpeks siis, kui benseenil oleks kolm tavalist kaksiksidet. Benseeni nool aga jääb 150,4 kJ/mol enne seda seisma: tsükli algtase oli joonisel eeldatust just nii palju madalam. George Kistiakowsky mõõtis neid hüdrogeenimisi Harvardis 1930. aastatel. See vahe on siiani standardne mõõdupuu ideele, et benseeni kuus π-elektroni kuuluvad kogu tsüklile, mitte kolmele sidemele.

Sidemeentalpiad toimivad täpselt nii hästi, kui tavaline on molekul ise 🖖

Sidemete loendamine on otsetee, kui ühendi kohta andmed puuduvad: liida katkenud sidemed, lahuta tekkinud sidemed. Metaani auruks põlemisel annab see −802 kJ/mol võrreldes tekkeentalpiatest saadud väärtusega −802,2. Benseeni puhul annab see −372 võrreldes −206,0-ga, eksides 166 võrra, sest tabelis toodud C=C on keskmine üle tavaliste kaksiksidemete ja benseenil neid polegi. Samuti on see otsetee pime faaside suhtes. See loeb samu O–H sidemeid nii aurus kui ka vedelas vees, mille vahe on 44,0 kJ/mol. Lisaks puudub grafiidil, millest algavad mõlemad süsinikuülesanded, sidemete tabelis üldse oma rida.

Ülesanne täielikult lahendatud

Benseeni tekkeentalpia ühest põlemisreaktsioonist 4 sammu
Ühe mooli gaasilise benseeni põletamine CO₂-ks ja vedelaks veeks eraldab 3 301,3 kJ. Kui CO₂(g) ΔfH° = −393,5 ja H₂O(l) ΔfH° = −285,8 kJ/mol, leia benseeni ΔfH°. Seejärel selgita, kuidas selle märk sobitub siin lehel leitud 150,4 kJ/mol väärtusega.

Ava see ülesanne tööriistas
1. Pane põlemisreaktsioon kirja tekkeentalpiates. O₂ on lihtaine ja ei lisa midagi, seega esinevad vaid kaks saadust ja benseen.
  
  $Δ_{c} H^{\circ} = 6 Δ_{f} H^{\circ} (C O_{2}) + 3 Δ_{f} H^{\circ} (H_{2} O) - Δ_{f} H^{\circ} (C_{6} H_{6})$
2. Saadused: kuus mooli CO₂ ja kolm mooli vett, kokku −3 218,4 kJ.
  
  $6 \cdot (- 393.5) + 3 \cdot (- 285.8) = - 2, 361.0 - 857.4 = - 3, 218.4 kJ$
3. Avalda benseen. Põlemine eraldas 3 301,3 kJ ja saadused moodustavad sellest vaid 3 218,4, seega benseen asus 82,9 kJ kõrgemal kui selle lihtained.
  
  $Δ_{f} H^{\circ} (C_{6} H_{6}) = - 3, 218.4 - (- 3, 301.3) = + 82.9 kJ/mol$
4. Võrdluseks, kui benseenil tõesti oleks kolm tavalist kaksiksidet, asuks see tsükloheksaanist kolme tsüklohekseeni hüdrogeenimise võrra kõrgemal.
  
  $- 123.1 - 3 \cdot (- 118.8) = + 233.3 kJ/mol$
Vastus

ΔfH°(C₆H₆, g) = +82,9 kJ/mol. See on positiivne: benseen sisaldab rohkem entalpiat kui grafiit ja vesinik, millest see koosneb, ning selle tekkimine neist neelaks soojust. See ei ole vastuolus arvuga 150,4. Stabiilsust mõõdetakse alati millegi suhtes: benseen on oma lihtainete kõrval ebastabiilne, kuid ebatavaliselt stabiilne võrreldes kolme kaksiksidemega ringiga, millena seda joonistatakse ning mis asuks samas tabelis kohal +233,3.

$Δ_{f} H^{\circ} (C_{6} H_{6}, g) = + 82.9 kJ/mol 233.3 - 82.9 = 150.4 kJ/mol$

Õpitee

Miks reaktsioon toimub

Allikad (3)

The measurements behind insight block 2: the heats of hydrogenation of cyclohexene, the cyclohexadienes and benzene, taken in the gas phase at Harvard: G. B. Kistiakowsky, J. R. Ruhoff, H. A. Smith and W. E. Vaughan, "Heats of Organic Reactions. IV. Hydrogenation of Some Dienes and of Benzene." Journal of the American Chemical Society 58(1), 1936, pp. 146-153. DOI 10.1021/ja01292a043
Benzene's gas-phase enthalpy of formation, +82.9 ± 0.9 kJ/mol, is this review's evaluated value: M. V. Roux, M. Temprado, J. S. Chickos and Y. Nagano, "Critically Evaluated Thermochemical Properties of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons." Journal of Physical and Chemical Reference Data 37(4), 2008, pp. 1855-1996. DOI 10.1063/1.2955570
Where the three C6 rings' gas-phase formation enthalpies were read: benzene +82.9, cyclohexene -4.32 (Steele, Chirico et al. 1996) and cyclohexane -123.1 (Prosen, Johnson et al. 1946), each with the measurement it comes from. Rounded to 0.1 kJ/mol on this page: P. J. Linstrom and W. G. Mallard (eds.), NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD. Benzene, gas-phase thermochemistry.

42Mathi meeskond · Kontrollitud avaldatud allikate põhjal. Parandused on teretulnud.