7.7: Реакції формування
- Page ID
- 22635
✅
- Визначте реакцію формування і вмійте її розпізнати.
- Використовуйте ентальпії освіти для визначення ентальпії реакції.
Закон Гесса дозволяє будувати нові хімічні реакції і прогнозувати, якими будуть їх ентальпії реакції. Це дуже корисний інструмент, оскільки не потрібно вимірювати ентальпійні зміни всілякої реакції. Нам потрібно виміряти лише зміни ентальпії певних еталонних реакцій, а потім використовувати ці реакції, щоб алгебраїчно побудувати будь-яку можливу реакцію та поєднати ентальпії еталонних реакцій відповідно.
Але які еталонні реакції? Нам потрібно мати деякі узгоджені набори реакцій, які забезпечують центральні дані для будь-якого термохімічного рівняння.
Реакції формування - це хімічні реакції, які утворюють один моль речовини з складових його елементів в їх стандартних станах. Термін стандартні стани означає як двоатомна молекула, якщо саме так існує елемент, і в належній фазі при нормальних температурах (зазвичай кімнатної температури). Твір - це один моль речовини, який може зажадати, щоб коефіцієнти на стороні реагенту були дробовими (зміна від нашого нормального наполягання, що всі коефіцієнти були цілими числами). Наприклад, реакція утворення для метану (\(\ce{CH4}\)) становить
\[\ce{C(s) + 2H2(g) → CH4(g)}\nonumber \]
Реакція утворення вуглекислого газу (\(\ce{CO2}\)) становить
\[\ce{C(s) + O2(g) → CO2(g)}\nonumber \]
В обох випадках одним з елементів є двоатомна молекула, оскільки це стандартний стан для цього конкретного елемента. Реакція формування на\(\ce{H2O}\):
\[\ce{2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ)}\nonumber \]
—не знаходиться в стандартному стані, оскільки коефіцієнт на продукт дорівнює 2; для правильної реакції формування утворюється лише один моль продукту. Таким чином, ми повинні розділити всі коефіцієнти на 2:
\[\ce{H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(ℓ)}\nonumber \]
У молекулярному масштабі ми використовуємо половину молекули кисню, яку може бути проблематично візуалізувати. Однак на молярному рівні це означає, що ми реагуємо лише на половину моль молекул кисню, що повинно бути легким поняттям для нас, щоб зрозуміти.
Які з перерахованих нижче належних реакцій формування?
- \(\ce{H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)}\)
- \(\ce{Si(s) + 2F2(g) → SiF4(g)}\)
- \(\ce{CaO(s) + CO2 → CaCO3(s)}\)
Рішення
- У цій реакції виробляються дві молі продукту, тому це не є належною реакцією формування.
- У цій реакції один моль речовини виробляється з його елементів в їх стандартних станах, тому це правильна реакція формування.
- Один моль речовини виробляється, але виробляється він з двох інших з'єднань, а не з його елементів. Так що це не належна реакція формування.
Чи є це правильна реакція формування? Поясніть, чому чи чому ні.
\[\ce{2Fe(s) + 3P(s) + 12O(g) → Fe2(PO4)3(s)} \nonumber \]
- Відповідь
-
Це не належна реакція формування, оскільки кисень не записується як двоатомна молекула.
Враховуючи формулу будь-якої речовини, ви повинні вміти писати правильну реакцію формування для цієї речовини.
Напишіть реакції формування для кожного з наступних.
- \(\ce{FeO(s)}\)
- \(\ce{C2H6(g)}\)
Рішення
В обох випадках в якості продукту присутній один моль речовини, і коефіцієнти реагентів можуть бути дробовими, щоб збалансувати реакцію.
- \(\ce{Fe(s) + 1/2O2(g) → FeO(s)}\)
- \(\ce{2C(s) + 3H2(g) → C2H6(g)}\)
Напишіть рівняння для формування\(\ce{CaCO3(s)}\).
- Відповідь
-
\[\ce{Ca(s) + C(s) + 3/2O2(g) → CaCO3(s)}\nonumber \]
Зміна ентальпії для реакції формування називається ентальпією освіти і дається символ Δ H f. Індексит f - це підказка про те, що реакція інтересу є реакцією формування. Таким чином, для формування FeO (ів),
\[Fe(s)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\rightarrow FeO(s)\; \; \; \Delta H=\Delta H_{f}=-272kJ/mol\nonumber \]
Зауважте, що зараз ми використовуємо кДж/моль як одиницю, оскільки зрозуміло, що зміна ентальпії стосується однієї молі речовини. Зауважте також за визначенням, що ентальпія утворення елемента рівно дорівнює нулю, тому що створення елемента з елемента не змінюється. Наприклад,
Н 2 (г) → Н 2 (г) Δ Н ф = 0
Реакції формування та їх ентальпії важливі, оскільки це термохімічні дані, які зведені в таблицю для будь-якої хімічної реакції. Таблиця\(\PageIndex{1}\) - Ентальпії освіти для різних речовин, перераховуються деякі ентальпії освіти для різних речовин; в деяких випадках, однак, фази можуть бути важливими (наприклад, для Н 2 О).
Легко показати, що будь-яке загальне хімічне рівняння може бути записано в терміні реакцій утворення його реагентів і продуктів, деякі з них зворотні (а значить, знак повинен змінюватися відповідно до закону Гесса). Наприклад, розглянемо
2NO 2 (г) → Н 2 О 4 (г)
Ми можемо записати його через (зворотну) реакцію утворення NO 2 і реакцію утворення N 2 O 4:
\[2\times \left [ NO_{2}(g) \rightarrow \frac{1}{2}N_{2}(g)+O_{2}(g)\right ]\; \; \; \; \Delta H=-2\times \Delta H_{r}\left [ NO_{2} \right ]=-2(33.1kJ)\\ N_{2}(g)+2O_{2}(g)\rightarrow N_{2}O_{4}(g)\: \; \; \;\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Delta H=\Delta H_{r}\left [ N_{2}O_{4} \right ]\; \; \; \; \; \; \, =9.1kJ\\ ---------------------------------\\ 2NO_{2}(g)\rightarrow N_{2}O_{4}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \Delta H=-57.1kJ\nonumber \]
Ми повинні помножити першу реакцію на 2, щоб отримати правильне загальне збалансоване рівняння. Ми просто використовуємо закон Гесса в поєднанні Δ H f значень реакцій формування.
Джерела: Національний інститут стандартів і технологій хімії WebBook (відкривається в новому вікні); D.R. Lide, ред., CRC Довідник з хімії та фізики, 89-е видання. (Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2008); Дж. Дін, ред., Довідник з хімії Ланге, 14-е видання. (Нью-Йорк: Макграу-Хілл, 1992).
Покажіть, що реакція
\[\ce{Fe2O3(s) + 3SO3(g) → Fe2(SO4)3(s)} \nonumber \nonumber \]
можна записати як поєднання реакцій формування.
Рішення
Буде три реакції формування. Той, що для продуктів буде написаний як реакція формування, тоді як ті, що стосуються реагентів, будуть написані зворотним. Крім того, реакція утворення для SO 3 буде помножена на 3, оскільки в збалансованому хімічному рівнянні є три молі SO 3. Реакції формування такі:
\[Fe_{2}O_{3}(s)\rightarrow 2Fe(s)+\frac{3}{2}O_{2}(g)\\ 3\times \left [ SO_{3}(g)\rightarrow S(s)+\frac{3}{2}O_{2}(g) \right ]\nonumber \]
\[\ce{2Fe(s) + 3S(s) + 6O2(g) → Fe2(SO4)3(s)}\nonumber \]
Коли ці три рівняння об'єднані та спрощені, загальна реакція
\[\ce{Fe2O3(s) + 3SO3(s) → Fe2(SO4)3(s)}\nonumber \nonumber \]
Напишіть реакції формування, які дадуть
\[\ce{2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g).} \nonumber \nonumber \]
- Відповідь
-
\[2\times \left [ SO_{2}(g)\rightarrow S(s)+O_{2}(g) \right ]\\ 2\times \left [ S(s)+\frac{3}{2} O_{2}(g)\rightarrow 2SO_{3}(g)\right ] \nonumber \nonumber \]
Тепер, коли реакції утворення були встановлені як основний тип термохімічної реакції, що розглядається в цьому розділі, чи потрібно писати всі реакції формування, коли метою є визначення зміни ентальпії будь-якої випадкової хімічної реакції? Ні. Є більш простий спосіб. Можливо, ви помітили у всіх наших прикладах, що ознаки змінюються на ентальпіях утворення реагентів, а ознаки не змінюються на ентальпіях утворення продуктів. Ми також множимо ентальпії утворення будь-якої речовини на її коефіцієнт — технічно, навіть коли він дорівнює 1. Це дозволяє зробити наступне твердження: зміна ентальпії будь-якої хімічної реакції дорівнює сумі ентальпій утворення продуктів мінус сума ентальпій утворення реагентів. У математичному плані,
\[\Delta H_{rxn}=\sum n_{p}\Delta H_{f,p}-\sum n_{r}\Delta H_{f,r}\nonumber \]
де n р і n r - кількість молів продуктів і реагентів відповідно (навіть якщо вони всього 1 моль), а Δ H f , p і Δ H f , r - ентальпії утворення продукту і видів реагентів відповідно. Ця схема продукти-мінус-реагенти дуже корисна при визначенні зміни ентальпії будь-якої хімічної реакції, якщо дані про ентальпію освіти є. Оскільки моль одиниці скасовуються при множенні кількості на ентальпію освіти, зміна ентальпії хімічної реакції має одиниці енергії (джоулі або кілоджоулі) лише.
Використовувати підхід продукти-мінус-реагенти для визначення ентальпії реакції для
\[2HBr(g)+Cl_{2}(g)\rightarrow 2HCl(g)+Br_{2}(l)\\ \Delta H_{f}\; -36.3\; \; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; \; \; \; \; -92.3\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; kJ/mol\nonumber \]
Рішення
Ентальпії освіти множаться на кількість молей кожної речовини в хімічному рівнянні, а сумарну ентальпію освіти для реагентів віднімають із загальної ентальпії утворення продуктів:
\[\Delta H_{rxn}=\left [ \left ( 2\cancel{mol} \right )\left ( -92.3kJ/\cancel{mol} \right )+\left ( 1\cancel{mol} \right ) \left ( 0kJ/\cancel{mol} \right )\right ]-\left [ \left ( 2\cancel{mol} \right )\left ( -36.3kJ/\cancel{mol} \right )+\left ( 1\cancel{mol} \right ) \left ( 0kJ/\cancel{mol} \right )\right ]\nonumber \]
Всі одиниці моль скасовують. Перемноживши і об'єднавши всі значення, отримуємо
Δ Н рхн = −112,0 кДж
Що таке ентальпія реакції для цього хімічного рівняння?
\[CO(g)\; \; \; +\; \; H_{2}O(l)\rightarrow \;CO_{2}(g)+H_{2}(g)\\ \Delta H_{f}\; -110.5\; -285.8\; \; \; \; \; \; -393.5\; \; \; \; \; \; \; 0\; \; \; \; \; kJ/mol \nonumber \nonumber \]
- Відповідь
-
+2,8 кДж
У розділі 7.2 згадується зв'язок між одиницею калорій і харчуванням: калорійність - це загальна одиниця енергії, що використовується в харчуванні, але ми насправді вважаємо кілокалорійність (пишеться Калорія з великої літери С). Щоденний раціон 2 000 кал насправді становить 2 000 000 кал, або більше 8 000 000 Дж, енергії.
Дієтологи зазвичай узагальнюють калорійність їжі, розділяючи її на три основні компоненти: білки, вуглеводи та жири. Загальне правило полягає в наступному:
| Якщо їжа... | Він має такий енергетичний вміст... |
|---|---|
| білок | 4 кал/г |
| вуглевод | 4 кал/г |
| жир | 9 кал/г |
Ця таблиця дуже корисна. Припускаючи щоденний раціон 2,000 кал, якщо наш раціон складається виключно з білків і вуглеводів, нам потрібно лише близько 500 г їжі для існування - трохи більше фунта. Якщо наш раціон складається виключно з жирів, нам потрібно всього близько 220 г їжі—менше півфунта. Звичайно, у більшості з нас в раціоні є суміш білків, вуглеводів і жирів. Вода не має калорійності в раціоні, тому будь-яка вода в раціоні калорийно марна. (Однак це важливо для гідратації; також багато форм води в нашому раціоні сильно ароматизовані та підсолоджені, що приносить інші харчові проблеми.)
Коли ваш організм працює, він використовує калорії, передбачені дієтою, як джерело енергії. Якщо ми їмо більше калорій, ніж споживає наше тіло, ми набираємо вагу - приблизно 1 фунт ваги на кожні додаткові 3,500 кал, які ми вживаємо. Аналогічно, якщо ми хочемо схуднути, нам потрібно витратити додаткові 3500 кал, ніж ми ковтаємо, щоб втратити 1 фунт ваги. Ніяких фантазійних або примхливих дієт не потрібно; підтримання ідеальної маси тіла - це просте питання термохімії - чисте і просте.
Ключові виноси
- Реакція формування - це утворення однієї молі речовини з складових його елементів.
- Ентальпії освіти використовуються для визначення зміни ентальпії будь-якої даної реакції.