Projectile Motion: A Dynamic Exploration

Entalpia nie obchodzi drogi, którą się zapędziłas

Entalpia H jest funkcją stanu: jej wartość zależy tylko od obecnego stanu systemu – składu, temperatury, ciśnienia – a nie od sekwencji kroków, które doprowadziły do tego stanu. Ten jeden fakt, sformalizowany przez Hermana Gesse w 1840 roku (dekadę przed spisaniem prawa pierwszego termodynamiki), jest tym, co sprawia, że prawda Gesse jest prawdziwa: zmiana entalpii reakcji jest taka sama, niezależnie od tego, czy zachodzi w jednym kroku, czy poprzez dowolną liczbę pośrednich etapów, o ile stany początkowy i końcowy są zgodne.

Konsekwencja ta ma ogromne praktyczne znaczenie. Niektóre reakcje są niebezpieczne, zbyt wolne lub fizycznie niemożliwe do przeprowadzenia czysto w kalorymetrze – spalanie węgla bezpośrednio do tlenku węgla (a nie CO2) jest klasycznym przykładem, ponieważ nigdy nie możesz dokładnie zatrzymać reakcji na CO. Ale jeśli uda ci się znaleźć legalne ominięcie poprzez reakcje, które możesz zmierzyć, prawo Gesse pozwala obliczyć entalpię tego, którego nie możesz.

Budowanie cykli energetycznych

Standardową techniką jest cykl Hessa (lub cykl Borna-Habera dla energii sieci krystalicznych jonowych): narysuj reakcję docelową jako jedną strzałkę od reagentów do produktów, a następnie narysuj alternatywną ścieżkę przez wspólne pośredniczące - często pierwiastki w ich stanach standardowych, ponieważ standardowe entalpie tworzenia są tabelowane względem dokładnie tego punktu odniesienia. Ponieważ entalpia jest funkcją stanu, bezpośrednia strzałka i dwuetapowy objazd muszą sumować się do tej samej całkowitej wartości, co daje jedną równanie liniowe łączące znane i nieznane entalpie.

ΔH(cel) = ? A -----------------> B \ ^ \ ΔH1 / ΔH2 v / elementy (lub pośredniczący C) ΔH(cel) = ΔH1 + ΔH2 (oba ścieżki łączą te same dwa stany) W najczęstszej formie w podręcznikach, entalpia reakcji docelowej jest uzyskiwana bezpośrednio z tabelowanych standardowych entalpii tworzenia ΔHf, wykorzystując fakt, że reagent do elementów to po prostu odwrotność elementów do reagentów.

      target ΔH = ?
  A -----------------> B
   \                 ^
    \ ΔH1          / ΔH2
     v               /
      elements (or intermediate C)

ΔH(target) = ΔH1 + ΔH2   (both paths connect the same two states)

Dwa zasady, które sprawiają, że algebra działa

Cykle Hessa to w rzeczywistości algebra liniowa na zbiorze zmierzonych lub zestawionych reakcji, a dozwolonych jest tylko dwie operacje. Odwróć reakcję i jej zmiany entalpii, ponieważ uruchamiasz tę samą fizyczną czynność wstecz i energia, która została uwolniona, musi teraz zostać dostarczona, lub odwrotnie. Skaluj reakcję przez czynnik n (podwoj ilość moli, pomnoż przez połowę) a jej entalpia skaluje się tą samą wartość n, ponieważ entalpia jest właściwością rozciągającą się - zależy od ilości materiału przekształconego. Dodaj reakcje, eliminując wszelkie gatunki, które pojawiają się zarówno jako produkt w jednym kroku, jak i reagenci w innym, a ich entalpie dodają się do siebie.

Przykładowe rozwiązanie: Obejście związane z spalaniem

Standardowym przykładem jest obliczanie entalpii powstawania tlenku węgla bezpośrednio, korzystając tylko z mierzalnych entali spalamia:

target: C(s) + ½O₂(g) -> CO(g) ΔH = ? kryty 1: C(s) + O₂(g) -> CO₂(g) ΔH1 = -393.5 kJ/mol kryty 2: CO(g) + ½O₂(g) -> CO₂(g) ΔH2 = -283.0 kJ/mol odwróć kryty 2: CO₂(g) -> CO(g) + ½O₂(g) -ΔH2 = +283.0 kJ/mol Dodaj do kryty 1, wyeliminuj CO₂ z obu stron: ΔH(target) = ΔH1 + (-ΔH2) = -393.5 + 283.0 = -110.5 kJ/mol Żaden z entali spalamia nie daje odpowiedzi samodzielnie; obejście przez CO₂ i następnie algebraiczne wyeliminowanie, robi to. To jest dokładnie obliczenie, które uczyniło Prawo Hessa użytecznym przed erą spektroskopową i obliczeniową: przekształca ono niemożliwe do zmierzenia reakcje w kombinacje mierzalnych reakcji.

target:   C(s) + ½O₂(g) -> CO(g)              ΔH = ?

known 1:  C(s) + O₂(g) -> CO₂(g)              ΔH1 = -393.5 kJ/mol
known 2:  CO(g) + ½O₂(g) -> CO₂(g)         ΔH2 = -283.0 kJ/mol

reverse known 2:  CO₂(g) -> CO(g) + ½O₂(g)   -ΔH2 = +283.0 kJ/mol
add to known 1, cancel CO₂ on both sides:

ΔH(target) = ΔH1 + (-ΔH2) = -393.5 + 283.0 = -110.5 kJ/mol

Dlaczego to działa: pierwsza zasada w ukryciu

Zasada Hessa jest w rzeczywistości ograniczonym stwierdzeniem zachowania energii. Gdyby entalpia zależała od ścieżki, można było by przeprowadzać reakcję w jednym kierunku, wydobyć energię i następnie przeprowadzać odwrotny proces przez różne pośrednie związki, wydobywając dodatkową energię bez kosztu – maszyna termodynamiczna o nieskończonym działaniu. Niezmożliwość tego właśnie jest tym, że H jako funkcja stanu zabrania to, dlatego Zasada Hessa nie jest niezależnym prawem empirycznym, a raczej wczesną, praktyczną konsekwencją pierwszej zasady termodynamiki, odkrytą przed pojawieniem się tej nazwy.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Hess's Law i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.