7.5: Розрахунки стехіометрії за допомогою ентальпії

Мета навчання

• Виконуйте розрахунки стехіометрії, використовуючи енергетичні зміни термохімічних рівнянь.

Раніше ми пов'язували величини однієї речовини з іншою в хімічному рівнянні, виконуючи розрахунки, які використовували збалансоване хімічне рівняння; збалансоване хімічне рівняння надавало еквіваленти, які ми використовували для побудови коефіцієнтів перетворення. Наприклад, в збалансованому хімічному рівнянні

$$\ce{2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ)} \nonumber$$

ми визнали еквіваленти

$$\ce{2 mol\, H2 ⇔ 1 mol\, O2 ⇔ 2 mol\, H2O} \nonumber$$

де ⇔ - математичний символ для «еквівалентний». Однак у нашому термохімічному рівнянні ми маємо ще одну кількісно-енергетичну зміну:

\[\ce{2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(ℓ)} \quad ΔH = −570\, kJ \nonumber \]

Ця нова кількість дозволяє нам додати ще один еквівалент до нашого списку:

$$\ce{2 mol\, H2 ⇔ 1 mol \,O2 ⇔ 2 mol\, H2O ⇔ −570\, kJ} \nonumber$$

Тобто тепер ми можемо додати кількість енергії до еквівалентів - зміна ентальпії збалансованої хімічної реакції. Ця еквівалентність також може бути використана для побудови коефіцієнтів перетворення, щоб ми могли пов'язати зміну ентальпії з кількістю речовин, що реагували або виробляються.

Зауважте, що ці еквіваленти вирішують проблему. Коли кількість енергії вказана для збалансованої хімічної реакції, на яку кількість (и) реагентів або продуктів вона посилається? Відповідь полягає в тому, що він відноситься до кількості молей речовини, на що вказує його коефіцієнт в збалансованої хімічної реакції. Таким чином, 2 моль$\ce{H2}$ пов'язані з −570 кДж, тоді як 1 моль$\ce{O2}$ пов'язана з −570 кДж. Ось чому одиниця по зміні енергії - кДж, а не кДж/моль.

Для прикладу розглянемо термохімічне рівняння

$$\ce{H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)} \quad ΔH = −184.6\, kJ \nonumber$$

Еквівалентності цього термохімічного рівняння

$$\ce{1 mol\, H2 ⇔ 1 mol\, Cl2 ⇔ 2 mol \,HCl ⇔ −184.6 kJ} \nonumber$$

Припустимо, нас запитують, скільки енергії віддається, коли 8,22 моль$\ce{H2}$ реагують. Побудовано коефіцієнт перетворення між кількістю молів$\ce{H2}$ і відданою енергією, −184,6 кДж:

$$8.22\cancel{mol\, H_{2}}\times \frac{-184.6\, kJ}{1\cancel{mol\, H_{2}}}=-1520\, kJ\nonumber$$

Негативний знак означає, що ця енергія виділяється.

Приклад$\PageIndex{1}$

Задано термохімічне рівняння

$$\ce{N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)} \quad ΔH = −91.8\, kJ \nonumber$$

скільки енергії віддається при реагуванні 222,4 г N ₂?

Рішення

Збалансоване термохімічне рівняння пов'язує зміну енергії з молями, а не грамами, тому ми спочатку перетворюємо кількість N ₂ в молі, а потім використовуємо термохімічне рівняння для визначення зміни енергії:

$$222.4\cancel{g\, N_{2}}\times \frac{1\cancel{mol\, N_{2}}}{28.00\cancel{g\, N_{2}}}\times \frac{-91.8\, kJ}{1\cancel{mol\, N_{2}}}=-729\, kJ\nonumber$$

Вправа$\PageIndex{1}$

Задано термохімічне рівняння

$$\ce{N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)} \quad ΔH = −91.8\, kJ \nonumber$$

скільки тепла віддається при реагуванні 1,00 г Н ₂?

Відповідь

−15,1 кДж

Як і будь-яка стехіометрична величина, ми можемо почати з енергії і визначити суму, а не навпаки.

Приклад$\PageIndex{1}$

Задано термохімічне рівняння

$$\ce{N2(g) + O2(g) → 2NO(g)} \quad ΔH = 180.6\, kJ \nonumber$$

якщо надходить 558 кДж енергії, яку масу$\ce{NO}$ можна зробити?

Рішення

Цього разу ми починаємо з кількості енергії

$$558\cancel{kJ}\times \frac{2\cancel{mol\, NO}}{180.6\cancel{kJ}}\times \frac{30.0\, g\, NO}{1\cancel{mol\, NO}}=185\, g\, NO\nonumber$$

Вправа$\PageIndex{1}$

Скільки грам N ₂ відреагує, якщо подається 100,0 кДж енергії?

$$\ce{N2(g) + O2(g) → 2NO(g)} \quad ΔH = 180.6\, kJ \nonumber$$

Відповідь

15,5 г

Хімія всюди: зварювання хімічними реакціями

Одна дуже енергійна реакція називається термітною реакцією. Його класичними реагентами є метал алюмінію та оксид заліза (III); реакція виробляє метал заліза та оксид алюмінію:

$$\ce{2Al(s) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + 2Fe(s)} \quad ΔH = −850.2\, kJ \nonumber$$

При правильному виконанні реакція виділяє стільки енергії, що залізний продукт відривається як рідина. (Залізо зазвичай плавиться при 1,536° C.) Якщо акуратно направляти, рідке залізо може заповнити проміжки між двома або більше металевими деталями і, після того, як воно швидко охолоне, може зварити металеві деталі разом.

Термітні реакції використовуються для цієї мети і сьогодні. У цивільних цілях вони використовуються для переварювання зламаних осей локомотивів, які не можуть бути легко зняті для ремонту. Вони також використовуються для зварювання залізничних колій між собою. Термітні реакції також можуть бути використані для відділення тонких шматків металу, якщо з якої-небудь причини факел не працює.

Малюнок$\PageIndex{1}$ Термітна суміш. Невеликий глиняний горщик містить термітну суміш. Він реагує при високій температурі на фото і в кінцевому підсумку виробляє розплавлений метал, щоб приєднатися до залізничних колій під ним. (Громадське надбання; Скейтбайкер через Вікіпедію)

Термітні реакції також використовуються у військових цілях. Термітні суміші часто використовуються з додатковими компонентами як запальні пристрої - пристрої, які запускають пожежі. Термітні реакції також корисні для відключення ворожої зброї - артилерія не працює, коли в результаті термітної реакції він розплавлений у стовбурі отвір!

Ключ на винос

• Енергетична зміна хімічної реакції може бути використана при розрахунках стехіометрії.