REACTIE-ENTHALPIE: DEFINITIE, THERMOCHEMIE, OEFENINGEN - FYSIEK - 2026

De reactie-enthalpie is een thermodynamische functie waarmee de bij een chemische reactie gewonnen of afgegeven warmte kan worden berekend, op voorwaarde dat deze reactie bij constante druk heeft plaatsgevonden. Het wordt gedefinieerd als de interne energie U plus het product van de druk P door het volume V van de stoffen die deelnemen aan een chemische reactie, als volgt: H = U + P ∙ V

Daarom heeft enthalpie energiedimensies en in het internationale meetsysteem wordt het gemeten in joules. Om de relatie van enthalpie met de warmte die wordt uitgewisseld in een chemische reactie te begrijpen, is het noodzakelijk om de eerste wet van de thermodynamica te onthouden, die het volgende stelt: Q = ΔU + W

Figuur 1. Bij de verbranding van een gas neemt de enthalpie af. Bron: pixabay

De eerste wet stelt dat de warmte die wordt uitgewisseld in een thermodynamisch proces gelijk is aan de variatie van de interne energie van de stoffen die bij het proces betrokken zijn, plus het werk dat deze stoffen in het proces doen.

In elk proces wordt het werk W berekend door de volgende relatie:

In de bovenstaande uitdrukking is Vi het aanvankelijke volume, Vf het uiteindelijke volume en P de druk. Als het proces wordt uitgevoerd bij constante druk P, zal het resulterende werk zijn:

Waar AV de verandering in volume is.

Definitie

Chemische reacties zijn thermodynamische processen die over het algemeen plaatsvinden bij constante druk en zeer vaak bij atmosferische druk. Dit type thermodynamisch proces wordt "isobaar" genoemd, aangezien het bij constante druk plaatsvindt.

In dit geval kan de eerste wet van de thermodynamica als volgt worden geschreven:

Qp = ΔU + P ∙ ΔV

Waarbij Qp aangeeft dat de warmte is uitgewisseld bij constante druk. Als de definitie van enthalpie H = U + P ∙ V wordt geïntroduceerd in de vorige uitdrukking, krijgen we:

Qp = ΔH

Daarom duidt een positieve enthalpie-verandering op een reactie die warmte uit de omgeving heeft gehaald. Dit is een endotherme reactie.

Als de enthalpie-verandering daarentegen negatief is, is het een exotherme reactie.

In feite komt het woord enthalpie van het Griekse woord enthalpien, wat 'verwarmen' betekent.

Enthalpie wordt ook vaak warmte genoemd. Maar het moet duidelijk zijn dat het niet hetzelfde is als warmte, maar het is de warmte-uitwisseling tijdens het thermodynamische proces die de enthalpie verandert.

Relatie met warmte

In tegenstelling tot warmte is enthalpie een functie van de toestand. Wanneer u de enthalpie-verandering berekent, berekent u het verschil tussen twee functies die uitsluitend afhankelijk zijn van de toestand van het systeem, zoals interne energie en volume.

ΔH = ΔU + P ∙ ΔV

Omdat de druk constant blijft in de reactie, is de reactie-enthalpie een toestandsfunctie die alleen afhangt van de interne energie en het volume.

Bij een chemische reactie kan de enthalpie van de reactanten worden gedefinieerd als de som van die van elk van hen; en die van de producten als de som van de enthalpie van alle producten.

De enthalpie-verandering in een reactie is het verschil tussen de producten minus die van de reactanten:

Figuur 2. Enthalpie-diagram. Bron: zelf gemaakt.

Bij een endotherme reactie is de enthalpie van de producten groter dan die van de reactanten; dat wil zeggen, de reactie onttrekt warmte aan de omgeving. Integendeel, bij een exotherme reactie is de enthalpie van de reactanten groter dan die van de producten, aangezien de reactie warmte afgeeft aan de omgeving.

Standaardenthalpie

Omdat de enthalpie-verandering in een chemische reactie kan afhangen van druk en temperatuur, is het gebruikelijk om standaard reactieomstandigheden te definiëren:

Standaard reactietemperatuur: 25 ° C.

Standaard reactiedruk: 1 atm = 1 bar.

De standaardenthalpie wordt als volgt aangeduid: H °

Thermochemie

In een thermochemische vergelijking zijn niet alleen de reactanten en producten van belang, maar ook de enthalpie-verandering. Enthalpie wordt begrepen als de reactie op de verandering die daarbij plaatsvond.

Laten we als voorbeeld eens kijken naar de volgende reacties:

2 H2 (gas) + O2 (gas) → 2 H2O (vloeistof); AH ° = -571,6 kJ (exotherm).

H2 (gas) + (½) O2 (gas) → H2O (vloeistof); AH ° = -285,8 kJ (exotherm).

2 H2O (vloeistof) → 2 H2 (gas) + O2 (gas); ΔH ° = +571,6 kJ (endotherm).

Enthalpie is een uitgebreide thermodynamische hoeveelheid

Als de termen van een chemische vergelijking worden vermenigvuldigd of gedeeld door een bepaalde factor, wordt de enthalpie vermenigvuldigd of gedeeld door dezelfde.

Als de reactie wordt omgekeerd, is het teken van de reactie-enthalpie ook omgekeerd.

Opgeloste oefeningen

-Oefening 1

Acetyleengas C2H2 wordt verkregen uit de reactie van calciumcarbide CaC2 dat in gegranuleerde vorm wordt geleverd met water bij omgevingstemperatuur en -druk.

Als gegevens hebben we de enthalpieën van vorming van de reactanten:

ΔH ° (CaC2) = -59,0 kJ / mol

ΔH ° (H20) = -285,8 kJ / mol

En de enthalpie van de vorming van de producten:

ΔH ° (C2H2) = +227,0 kJ / mol

ΔH ° (Ca (OH) 2) = -986,0 kJ / mol

Zoek de standaard entropie van de reactie.

Oplossing

Het eerste is om de evenwichtige chemische vergelijking te verhogen:

CaC2 (s) + 2H20 (l) → Ca (OH) 2 (s) + C2H2 (g)

En nu de enthalpieën van de reactanten, producten en van de reactie:

- Reagentia: -59,0 kJ / mol -2 ∙ 285,8 kJ / mol = -630,6 kJ / mol

- Producten: -986,0 kJ / mol + 227,0 kJ / mol = -759 kJ / mol

- Reactie: ΔH ° = -759 kJ / mol - (-630 kJ / mol) = -129 kJ / mol

Het is een exotherme reactie.

-Oefening 2

Hoeveel warmte komt er vrij als er onder normale omstandigheden 1 liter acetyleen wordt verbrand?

Oplossing

Eenmaal in balans, ziet de verbrandingsreactie van acetyleen er als volgt uit:

C2H2 (g) + (5/2) O2 (g) → 2 CO2 (g) + H20 (l)

We hebben de enthalpie van de vorming van de producten nodig:

ΔH ° (CO2) = -393,5 kJ / mol

ΔH ° (H2O (l)) = -285,8 kJ / mol

Berekening van enthalpieën

Met deze gegevens kunnen we de enthalpie van de producten berekenen:

ΔH ° (producten) = 2 * (- 393,5 kJ / mol) + (-285,8 kJ / mol) = -1072,8 kJ / mol

En de enthalpie van de vorming van de reactanten:

ΔH ° (C2H2) = 227,0 kJ / mol

ΔH ° (O2) = 0,0 kJ / mol

De enthalpie van de reactanten zal zijn:

227,0 kJ / mol + (5/2) * 0,0 = 227,0 kJ / mol

De molaire reactie-enthalpie is dan: ΔH ° (producten) - ΔH ° (reactanten) = -1072,8 kJ / mol - 227,0 kJ / mol = -1299,8 kJ / mol

Enthalpie van verbranding

Nu moeten we weten hoeveel mol acetyleen een liter acetyleen is onder standaardomstandigheden. Hiervoor gebruiken we de toestandsvergelijking van een ideaal gas, waaruit we het aantal mol oplossen.

Aantal mol n = P * V / (R * T)

P = 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa

V = 1 l = 1,0 x 10 ^ -3 m³

R = 8,31 J / (mol * K)

T = 25 ° C = 298,15 K

n = 0,041 mol

De verbrandingsenthalpie van 1 liter acetyleen is 0,041 mol * (-1299,8 kJ / mol) = -53,13 kJ

Het minteken geeft aan dat het een exotherme reactie is waarbij 53,13 kJ = 12,69 kcal vrijkomt.

Referenties

1. Kastanjes E. Enthalpie in chemische reacties. Hersteld van: lidiaconlaquimica.wordpress.com
2. Thermochemie. Enthalpie van reactie. Hersteld van: recursostic.educacion.es
3. Thermochemie. Definitie van standaard reactie-enthalpie. Hersteld van: quimitube.com
4. Wikipedia. Standaard reactie-enthalpie. Hersteld van: wikipedia.com
5. Wikipedia. Vorming enthalpie. Hersteld van: wikipedia.com