Jak obliczyć entalpię reakcji na podstawie entalpii tworzenia lub spalania ?

1. Są dwa podejścia do tematu

Akurat poziom maturalny oferuje dwie alternatywne drogi rozwiązywania zadań. Każdy znajdzie tutaj coś dla siebie. Jedno podejście (metoda I – na wzorach) jest najszybsza do przyswojenia, bo można się w parę minut nauczyć rozwiązywania zadań, natomiast druga metoda jest nieco dłuższa i wymaga odrobiny zrozumienia tematu – ma jednak one swoje zalety[1].

2. Jak obliczyć entalpię reakcji metoda I (na wzorach)

Uwaga – wzory ogólne, które też pokażę dla zachowania pełni opracowania, wyglądają na absurdalnie trudnie! To tylko złudzenie, w rzeczywistości są one banalne. Chemia fizyczna ma jednak to do siebie, że bardzo dobrze uczy się na zadaniach lub na konkretnych przykładach i za chwilę będziesz tego świadkiem. Zobaczysz jak hardkorowy jest wzór ogólny, a jakie jest to prościutkie i przyjemne na danym przykładzie. No to co, szalejemy!

Weźmiemy modelową reakcję (a o tym, żeby nie bać się takiego zapisu mówiliśmy już tutaj).

\displaystyle pA + qB \rightarrow xC + yD

Jeśli masz w zadaniu podane entalpie tworzenia, to wtedy entalpię reakcji liczysz ze wzoru :

\displaystyle \Delta H = \Big ( x \cdot \Delta H_{tw \ (C )} + y \cdot \Delta H_{tw \ (D )} \Big ) - \Big ( p \cdot \Delta H_{tw \ (A )} + q \cdot \Delta H_{tw \ (B )} \Big )

Od razu jedziemy na przykładzie :

Jak obliczyć entalpię reakcji na podstawie entalpii tworzenia.

I teraz weźmy do tego konkretne wartości entalpii tworzenia, które zostały zebrane w tabeli. Wszystkie wartości entalpii zostały podane w kJ/mol.

ΔHtw(B2O3)ΔHtw(CaF2)ΔHtw(BF3)ΔHtw(CaO)
− 1272,2 −1219,6− 1137 − 635,09

\displaystyle \Delta H = \Big ( 3 \cdot (-635,09) + 2 \cdot (-1137) \Big ) + \Big ( -1272,2 + 3 \cdot (-1219,6) \Big ) =  751,73 \ \frac{kJ}{mol}

Jak widać można się troszkę pogubić w tych wszystkich nawiasach i minusach, więc nie spiesz się podczas liczenia. Lepiej zrobić to troszkę wolniej, ale tylko raz, niż robić kilka razy, bo ciągle gdzieś po drodze łapiesz jakieś głupie matematyczne błędy.


Jeśli masz w zadaniu podane entalpie spalania, to wtedy entalpię reakcji liczysz ze wzoru :

\displaystyle pA + qB \rightarrow  xC + yD

\displaystyle \Delta H_{r} = \Big ( p \cdot \Delta H_{sp \ (A )} + q \cdot \Delta H_{sp \ (B )} \Big ) - \Big ( x \cdot \Delta H_{sp \ (C )} + y \cdot \Delta H_{sp \ (D )} \Big )

I od razu wrzucamy konkretny przykład, żeby nie dostać zawału :

Obliczanie entalpii reakcji na podstawie entalpii spalania.

I teraz weźmy do tego konkretne wartości entalpii spalania, które zostały zebrane w tabeli. Wszystkie wartości entalpii zostały podane w kJ/mol.

ΔHsp(C)ΔHsp(H2)ΔHsp(C3H8)
− 394 286− 2220

\displaystyle \Delta H = \Big ( 3 \cdot (-394) + 4 \cdot (-286) \Big ) - \Big ( -2220 \Big ) = -106 \ \frac{kJ}{mol}

Widzisz, na przykładach chyba nie jest już tak źle, prawda?

3. Jak obliczyć entalpię reakcji metoda II

Czas na troszkę zabawy! Niezwykle ważne będą tutaj zależności entalpii, o których uczyliśmy się wcześniej. Bierzemy te same reakcje co wyżej, czyli mamy dwa zadania do zrobienia, dwie entalpie do obliczenia.

Pierwszym krokiem będzie zawsze rozpisanie wszystkich reakcji. A więc musisz też bardzo dobrze ogarniać, co oznacza entalpia tworzenia i spalania .

Pierwszy krok (będę skrótowo pisał tylko wartości entalpii, bez podawania jednostek)

I teraz można powiedzieć, że z tych wszystkich czterech reakcji, które mamy podane musimy ulepić tą piątą reakcję, o którą nas proszą w zadaniu. Wtedy trzeba uzgodnić dwie rzeczy :

Czy nasz reagent znajduje się po dobrej stronie? Jeśli nie, to trzeba będzie reakcję zamienić stronami, czyli inaczej mówiąc, pomnożyć wszystko razy minus jeden.

Czy nasz reagent jest już w dobrej ilości? Jeśli nie, to trzeba go pomnożyć lub podzielić, aby ta liczba cząsteczek (moli) się zgadzała.

I tak widzimy, że zaznaczone na niebiesko produkty BF3 oraz CaO są po dobrej stronie, ale w złej ilości. BF3 powinno być dwa razy więcej, natomiast CaO trzy razy więcej. Czyli musimy wszystko pomnożyć odpowiednio razy dwa i trzy.

Zaznaczone na czerwono produkty są natomiast po złej stronie, będziemy musieli to zmienić. Liczba B2O3 się zgadza, ale CaF2 powinno być dwa razy więcej.

Krok drugi – bawimy się reakcjami tak, aby dopasować nasze produkty i substraty do docelowej reakcji.

Teraz sumujemy wszystkie reakcje, które są już odpowiednio przygotowane (te w ramce). Sumujemy je dokładnie tak samo, jak układ równań w matematyce. Czyli dodajemy do siebie wszystkie substraty, wszystkie produkty, ale także entalpie!

Ostatni (dodatkowy) krok – sumujemy produkty i substraty, a także entalpie i sprawdzamy czy wszystko jest ok.

Uwaga, ten ostatni etap (sumowania) jest tak naprawdę dodatkowy. On nam udowadnia, że wszystko jest ok, ponieważ po tym zsumowaniu i skróceniu reagentów otrzymujemy docelową reakcję (zaznaczono w ramce). Czyli nie musisz tego robić, jedynie możesz to robić[2].


A teraz na entalpiach spalania.

Pierwszy krok (będę skrótowo pisał tylko wartości entalpii, bez podawania jednostek)

Rozumujemy analogicznie, a więc sprawdzamy co mamy po złej, a co po dobrej stronie, jednocześnie ogarniając ilości. W takim razie, C3H8 chcielibyśmy przerzucić na drugą stronę, a liczba się zgadza. Wodór i węgiel są po dobrej, lewej stronie, tylko że wodoru chcemy 4x więcej, a węgla 3 razy więcej, zatem mnożymy.

Krok drugi – bawimy się reakcjami tak, aby dopasować nasze produkty i substraty do docelowej reakcji.

Opcjonalnie – sumujemy, skracamy i patrzymy czy wyszła nasza docelowa reakcja. Możemy już wyliczyć entalpię reakcji.

Ostatni (dodatkowy) krok – sumujemy produkty i substraty, a także entalpie i sprawdzamy czy wszystko jest ok.

4. Jest też trzecia metoda!

I ja jej szczerze mówiąc nie ogarniam. Po prostu wydaje mi się zbyt nieintuicyjna i jej nie uczę. Polega ona na rysowaniu tak zwanych cykli termochemicznych (termodynamicznych). Wygląda to na przykład tak :

Wycinek z I etapu 64. Olimpiady Chemicznej (zadanie 3)

Z cykli rozwiązują też na maturze :

2008 maj – poziom rozszerzony (stara matura)

Chociaż chyba i oni przerzucili się na stosowanie wzorów, jak możemy zobaczyć już na nowszych maturach :

2015 maj – poziom rozszerzony (stara matura)

[1] Celowo wspomniałem, że akurat matura oferuje dwie drogi rozwiązywania. Są też jednak takie zadania (Olimpiada Chemiczna), gdzie liczymy entalpię reakcji na podstawie innych entalpii reakcji, które nie są tworzeniem czy spalaniem. Wtedy wzory zawodzą i metoda druga jest po prostu niezbędna.

[2] Metoda ta, chociaż dłuższa to jednak jest czymś, co należy bardzo szanować, celebrować może nawet. Obok bilansowania równania reakcji, jest to jedno z dwóch zadań, w której mamy szansę sami sobie sprawdzić zadanie! Bardzo rzadko zdarza się taka sytuacja! Jeśli faktycznie po zsumowaniu reakcji, wychodzi nam reakcja docelowa, którą chcemy obliczyć, to po prostu musi być dobrze. Jedyne co już możesz spaprać to matematyczne obliczenia.

Leave a Reply

%d bloggers like this: