Kalkulator entalpii

Nasz kalkulator entalpii pomoże ci obliczyć zmianę entalpii reakcji. Zostań z nami, aby dowiedzieć się, jak obliczyć entalpię i poznać jej definicję. W artykule wyjaśnimy również różnicę między reakcjami endo- i egzotermicznymi, a także przedstawimy przykładowe obliczenia.

Entalpia mierzy całkowitą energię układu termodynamicznego — w postaci energii wewnętrznej lub objętości pomnożonej przez ciśnienie. Jest to funkcja stanu, zależna tylko od stanu równowagi układu.

Bardziej interesującą wielkością jest zmiana entalpii, czyli całkowita energia, która została wymieniona w układzie. Jest to uproszczony opis transferu energii, w którym energia jest w postaci ciepła lub pracy wykonanej podczas rozprężania.

Istnieją dwa główne typy reakcji termodynamicznych: endotermiczne i egzotermiczne. Reakcja endotermiczna powoduje pochłanianie ciepła z otoczenia. Reakcja egzotermiczna uwalnia ciepło do otoczenia.

Oba typy reakcji powodują zmianę poziomów energetycznych molekuł, a więc i zmianę entalpii. Wszystko, co musisz zapamiętać na potrzeby tego kalkulatora to:

• Jeśli reakcja jest endotermiczna, zmiana entalpii jest dodatnia, ponieważ ciepło jest pozyskiwane (pochłaniane z otoczenia).
• Jeśli reakcja jest egzotermiczna, zmiana entalpii jest ujemna, ponieważ ciepło jest tracone (oddawane do otoczenia).

Entalpia, z definicji, jest sumą energii wewnętrznej układu i pracy wykonanej przy rozprężaniu:

gdzie $U$ oznacza energię wewnętrzną, $p$ — ciśnienie, a $V$ — objętość. Zauważ, że druga część ściśle przypomina równania, które znajduje się w kalkulatorze praw gazowych 🇺🇸: związek między ciśnieniem a objętością pozwala nam znaleźć podobny związek między ilością materii a temperaturą.

Jeśli jednak chcemy obliczyć zmianę entalpii, musimy rozważyć dwa stany — początkowy i końcowy. Założymy, że ciśnienie jest stałe w czasie trwania reakcji. Wtedy zmiana entalpii wynosi:

lub w skrócie:

gdzie:

• $U_2$ i $V_2$ — odpowiednio energia wewnętrzna i objętość produktów reakcji,
• $U_1$ i $V_1$ — odpowiednio energia wewnętrzna i objętość reagentów,
• $p$ — stałe ciśnienie,
• $\Delta U$ — zmiana energii wewnętrznej,
• $\Delta V$ — zmiana objętości, oraz
• $\Delta H$ — zmiana entalpii.

Dla bardziej konkretnych problemów możemy zdefiniować standardową entalpię tworzenia się związku, oznaczaną jako $\Delta H_\mathrm{f}\degree$. Jest to zmiana entalpii, $\Delta H$, podczas tworzenia się jednego mola substancji w jej stanie standardowym $\degree$ (ciśnienie $10^5 \ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm {bar}$ i temperatura $25 \degree \mathrm{C} = 298, \!15 \ \mathrm{K}$), z budujących ją pierwiastków w ich odpowiednich stanach podstawowych.

Stan podstawowy pierwiastka to jego najbardziej stabilna konfiguracja w wyżej wymienionych warunkach. Niektóre przykłady stanów podstawowych to azot w postaci cząsteczek gazu $\mathrm N_{2}$ i węgiel w postaci grafitu.

Wzór na standardową entalpię tworzenia dla reakcji jest następujący:

gdzie:

• $\Delta H\degree_\mathrm{reakcji}$ — zmiana standardowej entalpii tworzenia, wyrażona w kJ;
• $\Delta H_\mathrm{f}\degree(\mathrm{produktów})$ — suma standardowych entalpii tworzenia produktów wyrażona w kJ/mol; oraz
• $\Delta H_\mathrm{f}\degree(\mathrm{reagentów})$ — suma standardowych entalpii tworzenia reagentów, wyrażona w kJ/mol.

Jeśli będziesz szczególnie uważny/a, to zauważysz, że wielkości $\Delta H_\mathrm{f}\degree(\mathrm{produktów})$ i $\Delta H_\mathrm{f}\degree(\mathrm{reagentów})$ mają inne jednostki niż $\Delta H\degree_\mathrm{reakcji}$. Dzieje się tak dlatego, że musisz je pomnożyć przez liczbę moli, czyli współczynnik przed związkiem w zapisie reakcji. Pokażemy ci później przykład, który powinien to wszystko wyjaśnić.

Zanim to jednak nastąpi, możesz nas zapytać: "Jak obliczyć standardową entalpię tworzenia dla każdego związku?". Najprostszą odpowiedzią jest użycie tabeli standardowych entalpii tworzenia! Oto przykładowa z nich:

Symbole w nawiasach oznaczają stan: $\mathrm{s}$ — ciało stałe, $\mathrm{c}$ — ciecz, $\mathrm{g}$ — gaz, a $\mathrm{aq}$ — roztwór wodny. Jeśli potrzebujesz standardowej entalpii tworzenia dla innych substancji, wybierz odpowiedni związek z rozwijanej listy kalkulatora entalpii. Uwzględniliśmy wszystkie najczęściej występujące związki!

Przećwiczmy naszą nowo zdobytą wiedzę, używając powyższej tabeli standardowych entalpii tworzenia. Dla przykładu mamy następującą reakcję:

Jaka jest zmiana entalpii w tym przypadku? Dodajemy $\Delta H_\mathrm{f}\degree$ dla $\mathrm{SO}_{2\mathrm{(g)}}$ i $O_{2\mathrm{(g)}}$, a następnie odejmujemy $\Delta H_\mathrm{f}\degree$ dla $\mathrm{SO}_{3\mathrm{(g)}}$. Pamiętaj, aby pomnożyć wartości przez odpowiednie współczynniki stechiometryczne!

Zauważmy, że jednostki współczynników $\mathrm{mol}$ eliminują odpowiednie jednostki $\mathrm{mol}$ w mianowniku, więc ostateczna odpowiedź jest w $\mathrm{kJ}$:

To wszystko! Czy nasz kalkulator entalpii nie jest mimo wszystko szybszym sposobem niż całe te żmudne obliczenia?

Kalkulator entalpii ma dwa tryby pracy. Możesz obliczyć zmianę entalpii na podstawie schematu reakcji lub korzystając ze wzoru na entalpię. Jeśli wybierzesz ten pierwszy sposób:

1. Spójrz na schemat reakcji, który pojawił się w górnej części kalkulatora. Czy potrzebujesz dodatkowego reagenta/produktu (C lub F)? Jeśli tak, to kliknij przycisk trybu zaawansowanego (Advanced mode).
2. Wypełnij pola w części Reagenty. Musisz podać współczynnik stechiometryczny i wybrać substancję z listy rozwijanej (są one uporządkowane alfabetycznie). Jeśli nie możesz znaleźć odpowiedniej, wybierz opcję Inny i wpisz standardową entalpię tworzenia w kJ/mol (jeśli nie masz jej pod ręką, sprawdź w tablicach, np. na stronie Chemistry LibreTexts).
3. Zrób to samo dla sekcji Produkty.
4. Sprawdź schemat reakcji i odczytaj wynik. To jest standardowa zmiana entalpii tworzenia dla twojej reakcji!
5. Opcjonalnie sprawdź tabelę standardowych entalpii tworzenia (dla wybranych przez ciebie związków), którą wyświetlamy na samym dole.

Jeśli chcesz obliczyć zmianę entalpii ze wzoru na entalpię:

1. Zacznij od określenia zmiany objętości twojej substancji. Załóżmy, że twoja ciecz rozszerzyła się o $5$ litrów.
2. Znajdź zmianę energii wewnętrznej substancji. Załóżmy, że energia twojej substancji wzrosła o $2000\ \mathrm{J}$.
3. Zmierz ciśnienie otoczenia. Przyjmiemy, że wynosi ono 1 atmosferę.
4. Wprowadź wszystkie te wartości do równania $\Delta H = \Delta U + p\cdot \Delta V$, aby otrzymać zmianę entalpii:

5. Możesz również otworzyć tryb zaawansowany (Advanced mode) kalkulatora entalpii, aby znaleźć entalpię na podstawie początkowej i końcowej energii wewnętrznej oraz objętości.

Entalpia w chemii określa przepływ ciepła w układzie pod stałym ciśnieniem. Z grubsza rzecz biorąc, zmiana entalpii w reakcji chemicznej równa się ilości energii utraconej lub uzyskanej podczas reakcji. Układ często dąży do stanu, w którym jego entalpia maleje podczas reakcji.

Tak. O reakcji chemicznej, która ma ujemną entalpię, mówi się, że jest egzotermiczna. Oznacza to, że układ traci energię, a więc produkty mają mniej energii niż reagenty. Zatem termin egzotermiczny oznacza, że układ traci lub oddaje energię.

Możesz obliczyć zmianę entalpii w podstawowy sposób, wykorzystując entalpię produktów i reagentów:

ΔH°=∑ΔH_produktów − ΔH_reagentów

Dla przykładu przyjrzyjmy się reakcji Na⁺ + Cl^- → NaCl. Aby znaleźć zmianę entalpii:

1. Użyj entalpii produktu NaCl (-411,15 kJ).

2. Sprawdź entalpię Na⁺ (-240,12 kJ) i Cl^- (-167,16 kJ).

3. Oblicz zmianę entalpii:

   ΔH° = 1 · -411,15 kJ − (1 · -240,12 kJ − 1 · 167,16 kJ) = -3,87 kJ

Pamiętaj o uwzględnieniu współczynników stechiometrycznych!

Wszystkie czyste pierwiastki w stanie standardowym (np. gazowy tlen, węgiel w formie grafitu itp.) mają zerową standardową entalpię tworzenia. Entalpia tworzenia oznacza zmianę entalpii podczas tworzenia jednego mola substancji. Natomiast pierwiastek powstający sam z siebie nie wydziela ciepła, więc jego entalpia tworzenia będzie równa zero.

-571,7 kJ. Załóżmy, że z gazowego wodoru, H₂, i gazowego tlenu, O₂, powstaje woda, H₂O. Aby znaleźć entalpię:

1. Napisz reakcję tworzenia: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

2. Zauważ, że entalpia H₂ i O₂ w stanie podstawowym jest równa zero.

3. Oblicz entalpię jako:

   ∑ΔH_produktów − ΔH_reagentów = 2 · -285,83 kJ − ( 2 · 0 kJ · 0 kJ) = -571,7 kJ.