Решен пример: Изчисляване на енталпията на дадена реакция с помощта на закона на Хес

Тази задача е от глава пета на учебника по химия от Коц, Трайкъл и Таунзенд. Казва ни се, ако искаме да знаем промяната в енталпията – промяната в общата енергия – за образуване на метан, CH4, от твърд въглерод във вид на графит – това е тук – и газ водород. Искаме да намерим промяната в енталпията на тази реакция. Как се получава метан – колко енергия се поглъща или освобождава, когато се образува метан от реакцията между твърд въглерод във вид на графит, и газообразен водород? Казва се, че промяната в енталпията на тази реакция не може да се определи в лабораторията, защото реакцията протича много бавно. Т.е., ако тя може да се измери, тази реакция ще протича, и ще видим колко топлина е изразходена, или каква е температурната промяна на заобикалящия разтвор. Може би реакцията протича толкова бавно, че е трудно определянето на температурната промяна, или това не е възможно по никакъв смислен начин. Можем, обаче, да определим промените в енталпията при горенето на въглерода, водорода и метана. Дават ни промяната в енталпията на тези реакции на горене – горенето на въглерода, горенето на водорода, горенето на метана. И ни се казва да използваме тази информация, за да пресметнем промяната в енталпията при образуването на метана от елементите му. Така че всеки път, когато видим тази ситуация, в която ни дават енталпиите на няколко реакции, казвайки, че, хей, не знаем енталпията на някаква друга реакция, и тази друга реакция изглежда се състои от подобни участници, нашият мозък веднага трябва да каже, хей, може би това е задача за закона на Хес. Закон на Хес. И всичко, което ни казва законът на Хес, е, че сборът от две или повече реакции, от което промяната в енталпията на тази реакция, ще представлява сборът от промяната в енталпиите на тези реакции. И когато погледнем това, а то изглежда е объркващата част, как можем да представим тази реакция чрез тези реакции тук? А и това, което искам да направя, е да започна с крайния продукт. И така, започвам с крайния продукт, който е метан в газообразна форма. И когато погледнем всички тези уравнения тук, виждаме горенето на метана. И тук всъщност има метан, така че нека започнем с това. Но тук е включен метана като реактант, а не като продукт. Но това, което можем да направим, е да игнорираме тази стрелка и да запишем метана като продукт. И ако само напишем тази реакция, ние я "обръщаме". И имаме налице газообразен въглероден диоксид – нека го напиша тук – въглероден диоксид газ плюс... ще оцветя тук с с друг цвят... плюс две молекули вода – ако разглеждаме тези молекули в молове, или две молекули вода, можем дори да кажем- две молекули вода в течно състояние. Това може би, бих казал, не би протекло спонтанно, защото би изисквало енергия. Но ако го разгледаме в обратната посока, ако отидем в тази посока, ще получим две молекули вода – което е два атома кислород, да кажем – ще оцветя това в розово. Така, два атома кислород – и тук той е в газообразно състояние плюс газообразен метан, СН4. CH4 в газообразно състояние. И всичко, което направих, е, че написах това трето уравнение, но в обратен ред. Вървя от реагентите към продуктите. Посоката на реакцията от продуктите към реагентите ще освободи 890,3 килоджаула на мол от протичащата реакция. Но ако обърнем по другия начин, ще са нужни 890 килоджаула. Така делта H тук... ще използвам неутрален цвят тук... делта H на тази реакция тук, ще е обратно на това. Т.е. имаме плюс 890,3 килоджаула на мол от реакцията. Всчико, което направих, е че обърнах реда на тази реакция тук. Хубавото в това е, че имаме нещо, при което поне накрая сме получили, като сме целяли това. Това е мястото, на което искаме да стигнем. Тук искаме да стигнем накрая. И така, ако искаме да стигем там накрая, е нужно в даден момент да имаме малко въглероден диоксид, както и малко вода ще помогне тук. И как можем да получим въглероден диоксид, и как можем да получим вода? Ами тези две реакции тук – тази реакция на горене, осигурява въглероден диоксид, а тази реакция на горене осигурява вода. И можем само да препишем тези. Нека само ги препиша тук, и ще сложа малко цветове. И така, ако започна с графит – който е въглерод в графитна форма – въглерод в графитната си форма плюс – имам вече цвят за кислорода – плюс кислород в газообразното му състояние, това ще произведе въглероден диоксид в газообразно състояние. От там ще се произведе въглерод – това е друг нюанс на зеленото... ще се произведе въглероден диоксид в газообразна форма. И тази реакция, ако се вземе предвид енталпията на въглеродния диоксид, и от там се извади енталпията на тези реагенти, се получава отрицателно число. Което означава, че тук е имало по-ниска енталпия, отделила се е енергия. Понеже сега има по-малко енергия в системата тук. И това по същество показва колко енергия е освободена. Но нашата промяна в енталпията тук, нашата промяна в енталпията на тази реакция тук, това е реакция едно. Нека я препиша. Минус 393,5 килоджаула на мол от протичащата реакция. И реакцията протича един мол пъти. Това ще е количеството енергия, която по същество се освобождава. Това е нашата промяна в енталпията. Така че ако това се случи, ще получим въглеродния диоксид. Сега имаме и... така ще освободим тази голяма енергия и ще получим този продукт по-нататък... но сега се нуждаем и от вода. А тази реакция тук, горенето на водорода, осигурява нужната вода. Така че имаме... и още не сме се занимавали с водорода, така че нека го оцветим с нов цвят. Това не е нов цвят, така че нека използвам синьо. Тук имаме газообразен водород – само преписвам тази реакция – газообразен водород плюс 1/2 O2 – за кислорода използвам розов цвят – 1/2 О2 ще произведе, ще ни донесе вода. Ето, това е Н2О, получаваме вода в течно състояние. Сега, преди да запиша това число, нека помислим дали имаме всичко, от което се нуждаем. За да предизвикаме протичането на тази реакция, което ни отвежда до крайния продукт, за да стигнем до газообразния метан, се нуждаем от един мол... Или можем дори да кажем една молекула въглероден диоксид, а тази реакция ни осигурява точно една молекула въглероден диоксид. И това трябва да се провери. И са ни нужни две молекули вода. Така, тази реакция ни дава само една молекула вода. Нека умножим двете страни на уравнението, за да получим две молекули вода. И така, тук имаме 2, умножаваме това по 2, и това по същество просто изчезва. Умножаваме 1/2 по 2, и получаваме 1 тук. После добавяме 2 тук. Умножих това второ уравнение с 2. След умножаването тук се получава 1, а тук 2. И ако извършим същото два пъти повече, защото сме умножили по две, делта Н сега, промяната в енталпията на реакцията сега ще бъде два пъти това. Да вземем калкулатора. Сега ще имаме минус 285,8, умножено по 2. Защото току-що умножихме цялата реакция по 2. И така, минус 571,6. Това са минус 571, 6 килоджаула на мол от реакцията. Нека видим дали комбинацията, сбора на тези реакции, всъщност дава тази реакция тук горе. А за да направим това... всъщност просто ще копирам и поставя написаното тук горе, защото това е един вид реда, по който ще въведа. Не е нужно да става така, но пък по този начин става малко по-лесно за разбиране. И нека копирам и поставя това. Всъщност, мога да го изрежа и поставя. Изрязвам и поставям тук долу. Това първото. И нека видим сега какво ще се случи. Да видим дали някои от тези реакции наистина спират да приличат на тази реакция тук горе, да видим дали можем да съкратим реагентите и продуктите. Нека видим какво ще се случи. Това произвежда въглероден диоксид, но тогава този мол, или тази молекула въглероден диоксид, бива използвана в тази последна реакция. Така че това го произвежда, това го използва. Тези се съкращават. Нека го оцветя със същия цвят, за да е на екрана. Тази реакция го произвежда, тази го използва. Така, тази реакция тук произвежда двете молекули вода. А тази реакция тук долу – искам да оцветя със същия цвят тези две молекули вода. Така, тази реакция тук долу използва двете молекули вода. А тази реакция тук изисква една молекула кислород. Тази пък изисква още една молекула кислород. Така тези двете общо са две молекули кислород. Та тези са реактантите. И накрая, тези там приключват като продукти на тази последна реакция. А онези, всъщност, те влизат в системата, след което я напускат, или излизат от сбора на реакциите непроменени. И се съкращават един с друг. Така, че можем да кажем, че това и това се съкращават. И какво ни е останало? Какво ни е останало в реакцията? Имаме твърд въглерод под формата на графит плюс два мола, или две молекули водород, които дават... всичко, което сме оставили от страна на продуктите, е метан. Така че е вярно, че сборът на тези реакции е точно това, което търсим. Всичко, което сме оставили от страна на продукта е графита, твърдият графит, плюс молекулният водород, плюс газообразният водород – оцветявам го така – плюс два газообразни водорода. И всичко, което е останало от страната на продуктите е метанът. Това е метанът в газообразно състояние. И е истина това, че сборът от тези реакции – да не забравяме, че трябва да обърнем тази реакция и да променим знака ѝ, и трябва да умножим тази реакция по 2, за да може сборът им да даде тази реакция, която наистина ни трябва. Та ето го сборът от реакциите. Промяната в енталпията на тази реакция ще бъде сборът на тези тук. Това представлява Законът на Хес. Тази част е забавната. Просто събираме тези стойности тук. Така, имаме минус 393 цяло и... не, това не е целта ми тук. Нека изтрия. Имам минус 393,5, така тази стъпка е екзотермична. След това имаме минус 571,6. И това е екзотермична стъпка. Тези реакции и двете бяха реакции на горене, които са, както знаем, доста екзотермични. И имаме ендотермичната стъпка, обратната от тази последна реакция на горене. Така, плюс 890,3 дава минус 74,8. Получаваме минус 74,8 килоджаула за всеки мол от протичащата реакция. Или ако реакцията протича, един мол по... И така, получихме... Пресметнахме промяната в енталпията. А тя е логично екзотермична. Никъде тук не е толкова екзотермична, колкото тези реакции на горене тук, но ще се освободи енергия. И сме готови.