Chem do MaturyDziałyMapy myśli

Termochemia i entalpia reakcji – zadania maturalne z chemii

10
zadań
23
polecenia
10
poleceń otwartych z oceną
1
lekcji interaktywnych

Termochemia i Prawo Hessa

Magnez w kwasie solnym — Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂
Magnez w kwasie solnym — Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

### Czym jest entalpia reakcji? Entalpia (H) to funkcja stanu opisująca układ termodynamiczny, która określa m.in. zasób wewnętrznej energii. Podczas reakcji chemicznej pod stałym ciśnieniem mierzony efekt cieplny równy jest zmianie entalpii (ΔH). Procesy dzielimy na: - **Egzotermiczne (ΔH < 0)** – uwalniają energię; układ traci ciepło i przekazuje je otoczeniu. Produkty mają niższą entalpię niż substraty. - **Endotermiczne (ΔH > 0)** – pobierają energię; otoczenie ochładza się, a układ zyskuje ciepło. Produkty mają wyższą entalpię niż substraty. ### Profil energetyczny i energia aktywacji Każda reakcja, aby zajść, wymaga pokonania bariery energetycznej nazwanej energią aktywacji (Ea). W stanie przejściowym, substraty tworzą nietrwały kompleks aktywny o najwyższej energii. Zastosowanie **katalizatora** tworzy nowy mechanizm dla tej reakcji, prowadzący przez kompleksy przejściowe o znacząco niższej energii. W efekcie, energia aktywacji (Ea) maleje, reakcja biegnie szybciej, ale poziomy wyjściowe (substraty) i końcowe (produkty) pozostają niezmienione, w związku z czym katalizator **nie zmienia** ΔH. ### Prawo Hessa Podstawowym prawem termochemii jest prawo Hessa. Stanowi ono, że efekt cieplny reakcji prowadzonej izobarycznie zależy wyłącznie od stanu początkowego i końcowego. Dzięki prawu Hessa możemy obliczać entalpię skomplikowanych lub powolnych reakcji na podstawie dostępnych danych. Główny wzór korzystający z entalpii tworzenia (ciepło utworzenia 1 mola związku z pierwiastków) brzmi: ΔH = Σ ΔH(tw, produkty) − Σ ΔH(tw, substraty) Należy pamiętać o uwzględnieniu współczynników z równania reakcji. Entalpie tworzenia pierwiastków (w warunkach standardowych, ich najtrwalszych form) przyjmują równo 0. ### Przykład obliczeniowy **Zadanie:** Oblicz entalpię reakcji: CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(c), mając standardowe entalpie tworzenia: ΔHtw(CH₄) = -75 kJ/mol ΔHtw(CO₂) = -394 kJ/mol ΔHtw(H₂O) = -286 kJ/mol *(ΔH tworzenia O₂ = 0)* **Rozwiązanie:** ΔH = [1 · (-394) + 2 · (-286)] - [1 · (-75) + 2 · 0] ΔH = [-394 - 572] - [-75] = -966 + 75 = -891 kJ

Zapamiętaj

  • Entalpia (ΔH) jest funkcją stanu; ciepło zależy tylko od stanu początkowego i końcowego.
  • Entalpie tworzenia pierwiastków w najtrwalszych odmianach (np. O₂(g), C grafit) to z definicji 0.
  • Katalizator obniża energię aktywacji reakcji prostej i odwrotnej o tę samą wartość, ale nie zmienia ΔH i wydajności.

Typowe błędy

  • Mylenie znaków przy prawie Hessa w zależności od tego, czy używa się entalpii tworzenia (produkty – substraty), czy spalania (substraty – produkty).
  • Nieuwzględnianie lub ignorowanie współczynników stechiometrycznych w obliczeniach termochemicznych.
  • Twierdzenie, że egzotermiczność reakcji zależy od dodatniego znaku ΔH (ΔH > 0 to proces endotermiczny!).

Wymagania podstawy programowej

  • V.2.1 Interpretuje wartość ΔH i wykresy energetyczne; wskazuje energię aktywacji i wpływ katalizatora.
  • V.2.2 Stosuje prawo Hessa do obliczania entalpii reakcji.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Utlenianie amoniaku do tlenku azotu(II) przebiega zgodnie z poniższym równaniem: 4 NH₃(g) + 5 O₂(g) → 4 NO(g) + 6 H₂O(g) W tabeli zestawiono wartości standardowych entalpii tworzenia reagentów w temperaturze 298 K: | Wzór substancji | Standardowa entalpia tworzenia ΔH° (kJ/mol) | |---|---| | NH₃(g) | -46 | | NO(g) | 90 | | H₂O(g) | -242 |

  1. 1.1 Oblicz standardową entalpię tej reakcji ΔH°. Wynik podaj z dokładnością do liczby całkowitej. (2 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: ΔH° = [4 · (90) + 6 · (-242)] - [4 · (-46) + 5 · (0)] = [360 - 1452] - [-184] = -1092 + 184 = -908 kJ.

    Zgodnie z prawem Hessa, entalpię reakcji oblicza się z różnicy sumy entalpii tworzenia produktów i sumy entalpii tworzenia substratów pomnożonych przez współczynniki stechiometryczne. Entalpia tworzenia O₂(g) wynosi zero.

  2. 1.2 Oceń prawdziwość poniższych zdań dotyczących opisanego procesu. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe. (1 pkt)

    • 1. Reakcja utleniania amoniaku jest procesem egzotermicznym. (P/F)
    • 2. Sumaryczna entalpia produktów tej reakcji jest większa niż sumaryczna entalpia substratów. (P/F)
    • 3. W izobarycznych warunkach prowadzenia procesu ciepło przepływa z układu do otoczenia. (P/F)
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: 1 – P, 2 – F, 3 – P

    Reakcja ma ΔH < 0, więc jest to proces egzotermiczny zachodzący z wydzieleniem ciepła do otoczenia. Znak ujemny oznacza, że układ traci energię, więc produkty mają mniejszą entalpię niż substraty.

Zadanie 2

Poniżej podano równania dwóch reakcji termochemicznych przebiegających w warunkach standardowych: (1) C(grafit) + O₂(g) → CO₂(g) ΔH₁° = -393,5 kJ (2) CO(g) + 1/2 O₂(g) → CO₂(g) ΔH₂° = -283,0 kJ

  1. 2.1 Na podstawie powyższych danych oblicz standardową entalpię tworzenia tlenku węgla(II) ΔH_tw°. Wynik podaj z jednostką. (2 pkt)

    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: Równanie docelowe: C(grafit) + 1/2 O₂(g) → CO(g). Równanie 1: C + O₂ → CO₂ (ΔH = -393,5 kJ) Równanie 2 odwrócone: CO₂ → CO + 1/2 O₂ (ΔH = +283,0 kJ) Po zsumowaniu: ΔH_tw° = -393,5 + 283,0 = -110,5 kJ/mol.

    Zgodnie z prawem Hessa można odpowiednio przekształcić równania. Należy odwrócić reakcję (2) zmieniając znak entalpii i dodać do niej reakcję (1). Sumaryczne równanie to: C(grafit) + 1/2 O₂(g) → CO(g).

  2. 2.2 Wybierz poprawne stwierdzenie dotyczące układów opisywanych w materiale źródłowym. (1 pkt)

    • A. W procesie powstawania 1 mola CO₂ z grafitu i tlenu wydziela się więcej ciepła niż podczas spalania 1 mola CO.
    • B. W procesie powstawania 1 mola CO₂ z grafitu i tlenu wydziela się mniej ciepła niż podczas spalania 1 mola CO.
    • C. W obu procesach powstaje taka sama ilość CO₂, więc wydziela się w nich dokładnie tyle samo ciepła.
    • D. Reakcja spalania tlenku węgla(II) jest procesem endotermicznym.
    Pokaż odpowiedź

    Odpowiedź: A. W procesie powstawania 1 mola CO₂ z grafitu i tlenu wydziela się więcej ciepła niż podczas spalania 1 mola CO.

    Podczas tworzenia 1 mola CO₂ z pierwiastków wydziela się 393,5 kJ ciepła, natomiast podczas spalania 1 mola CO do CO₂ wydziela się 283,0 kJ ciepła. Zatem w pierwszym procesie wydziela się więcej ciepła.

Ćwicz ten dział z oceną – PremiumZałóż darmowe konto

Inne tematy z tego działu