Entalpija i promjena entalpije

Uvod

Dio kemije koji se bavi proučavanjem toplinskih promjena u kemijskim reakcijama kao i fizikalnim promjenama zove se termokemija.

Entalpija, H, je toplina koja se oslobađa ili apsorbira pri nekoj fizikalnoj ili kemijskoj promjeni, uz konstantan tlak. Definira se kao termodinamička funkcija stanja sustava, a to znači da ovisi o uvjetima u kojima se sustav nalazi. Apsolutna vrijednost entalpije, H, ne može se eksperimentalno odrediti, već se određuje njezin prirast, ΔH, tj. razlika između konačnog i početnog stanja.

[latex]\mathit{Q}=\Delta \mathit{H}[/latex]

p = konst.

Strandardna reakcijska entalpija i standardna entalpija stvaranja

Standardna reakcijska entalpija predstavlja količinu topline koja se oslobađa ili apsorbira u nekoj kemijskoj reakciji pri tlaku 100 kPa. Znak za standardnu reakcijsku entalpiju jest ΔrH° (indeks r dolazi od engl. reaction = reakcija), a mjerna jedinica jest kJ mol–1.

Standardna reakcijska entalpija može se odrediti eksperimentalno, ali i izračunati iz standardnih entalpija stvaranja spojeva u reakciji. Budući da je entalpija funkcija stanja sustava, njezina promjena, ΔrH°, ovisi isključivo o razlici konačnoga stanja entalpije produkata, H°produkti, i početnoga stanja, entalpije reaktanata, H°reaktanti.

ΔrH° = H°produkti − H°reaktanti

Reakcijska entalpija, ΔrH, ima pozitivan (+) predznak, odnosno vrijednost veću od nule (ΔrH > 0) u endotermnim reakcijama, a u egzotermnim reakcijama ΔrH ima negativan (–) predznak, odnosno vrijednost manju od nule (ΔrH < 0). Ukupna entalpija reaktanata ili produkata može se izračunati pomoću vrijednosti standardnih entalpija stvaranja.

Standardna entalpija stvaranja predstavlja količinu topline koja se oslobađa ili apsorbira nastankom jednoga mola kemijskoga spoja iz elementarnih tvari pri tlaku 100 kPa. Znak za standardnu entalpiju stvaranja jest ΔfH° (indeks f dolazi od engl. formation = stvaranje), a mjerna jedinica jest kJ mol–1. Standardna entalpija stvaranja za elementarnu tvar u njezinu standardnome, tj. termodinamički najstabilnijemu stanju, prema dogovoru ima vrijednost 0.

Pogledajte videozapis Promjena entalpije i odgovorite na pitanja.

Promjena entalpije
  1. Što je promjena entalpije?
  2. Kakav je endotermni proces? Navedite primjer.
  3. Kakav je egzotermni proces? Navedite primjer.
  4. Gdje možemo primijeniti negativnu promjenu entalpije?

Jednadžba kemijske reakcije u kojoj su navedena agregacijska stanja reaktanata i produkata, ali i vrijednost standardne reakcijske entalpije naziva se termokemijska jednadžba.

Žarenje kalcijeva karbonata je endotermna reakcija i reakcijska entalpija ima pozitivan predznak. 

[latex]CaCO_3\left(s\right)\stackrel{\Delta }{\longrightarrow CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)}[/latex]    ΔrH°= 177,9 kJ mol−1

Reakcija u suprotnome smjeru jest egzotermna, vrijednost se rakcijske entalpije ne mijenja, već se mijenja samo njezin predznak. 

[latex]CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)\longrightarrow CaCO_3\left(s\right)[/latex]   ΔrH°= −177,9 kJ mol−1

Entalpijski dijagram

Energijske promjene tijekom kemijske reakcije mogu se prikazati i entalpijskim dijagramima.

Toplina koja se veže ili oslobađa u nekoj kemijskoj reakciji jednaka je umnošku reakcijske entalpije i omjera množine reaktanta ili produkta i njegova stehiometrijskog broja.

Za neku opću reakciju:

[latex]A_2+B_2\longrightarrow 2AB[/latex]

vrijedi:

 [latex]\mathit{Q}=\Delta \mathit{H}\degree =\Delta _r\mathit{H}\degree ^{}\cdot \frac{\mathit{n}\left(A_2\right)}{\mathit{\nu }\left(A_2\right)}[/latex]  

[latex]\mathit{Q}=\Delta \mathit{H}\degree =\Delta _r\mathit{H}\degree ^{}\cdot \frac{\mathit{n}\left(B_2\right)}{\mathit{\nu }\left(B_2\right)}[/latex] 

[latex]\mathit{Q}=\Delta \mathit{H}\degree =\Delta _r\mathit{H}\degree \cdot \frac{\mathit{n}\left(AB\right)}{\mathit{\nu }\left(AB\right)}[/latex]

gdje je:

Q = ΔH°- apsorbirana toplina

ΔrH°- prirast standardne reakcijske entalpije

n- množina

ν- stehiometrijski broj

ZADATAK:

a) Izračunajte standardnu reakcijsku entalpiju za reakciju žarenja kalcijeva karbonata.

b) Izračunajte koliko je topline potrebno za žarenje 750,0 grama kalcijeva karbonata.

c) Nacrtajte entalpijski dijagram za navedenu reakciju.

ZADANO JE:

m(CaCO3)= 750,0 g

TRAŽI SE:

a) ΔrH°= ?

b) Q= ?

c) entalpijski dijagram

IZRADAK:

a) Napiše se jednadžba kemijske reakcije i označe agregacijska stanja tvari:

[latex]CaCO_3\left(s\right)\stackrel{\Delta }{\longrightarrow CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)}[/latex]

Iz tabličih podataka uzmu se vrijednosti standardnih entalpija stvaranja sudionika u kemijskoj reakciji:

ΔfH°(CaCO3, s) = –1206,9 kJ mol–1

ΔfH°(CaO, s) = –635,5 kJ mol–1

ΔfH°(CO2, g) = –393,5 kJ mol–1

Standardna reakcijska entalpija izračuna se tako da se od ukupne vrijednosti svih entalpija stvaranja produkata oduzmu standardne entalpije stvaranja reaktanata.

ΔrH°= H°produkti−H°reaktanti

ΔrH°= [Σ|ν| ΔfH°(produkti)]−[Σ|ν| ΔfH°(reaktanti)]

 ΔrH°= [ΔfH°(CaO, s) + ΔfH°(CO2, g)]−[ΔfH°(CaCO3, s)]

 = [(−635,5 kJ mol−1)+(−393,5 kJ mol−1)]−[−1206,9 kJ mol−1]

 = 177,9 kJ mol−1

ODGOVOR: 

Standardna reakcijska entalpija za žarenje kalcijeva karbonata iznosi 177,9 kJ mol−1.

b) Termokemijska jednadžba žarenja kalcijeva karbonata jest sljedeća:

 [latex]CaCO_3\left(s\right)\stackrel{\Delta }{\longrightarrow CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)}[/latex]  ΔrH°= 177,9 kJ mol−1

Iz jednadžbe kemijske reakcije može se očitati da je stehiometrijski broj, ν, za kalcijev karbonat jednak 1. Toplina, Q, potrebna za žarenje 750,0 g kalcijeva karbonata izračuna se prema sljedećoj jednadžbi:

[latex]\mathit{Q}=\Delta \mathit{H}\degree =\Delta _r\mathit{H}\degree \cdot \frac{\mathit{n}\left(CaCO_3\right)}{\mathit{\nu }\left(CaCO_3\right)}[/latex]

[latex]=\Delta _r\mathit{H}\degree \cdot \frac{\mathit{m}\left(CaCO_3\right)}{\mathit{M}\left(CaCO_3\right)\cdot \mathit{\nu }\left(CaCO_3\right)}[/latex]

[latex]=177,9kJmol^{–1}\cdot \frac{750,0g}{100,1gmol^{–1}\cdot 1}[/latex]

[latex]=1333kJ[/latex]

ODGOVOR:

Za žarenje 750,0 grama kalcijeva karbonata potrebno je dovesti toplinu od 1333 kJ.

Standardna entalpija veza

Tijekom kemijskih reakcija dolazi do kidanja postojećih kemijskih veza i stvaranja novih. Za kidanje veza među atomima reaktanata potrebna je energija, a pri nastajanju novih veza u produktima se energija oslobađa. Mjera za jakost kovalentne veze među atomima u molekulama jest standardna entalpija veze. Znak za standardnu entalpiju veze jest ΔbH°, a mjerna jedinica jest kJ mol–1.

Zbroj svih standardnih entalpija veza, ΔbH°, u nekoj reakciji daje standardnu reakcijsku entalpiju.

Entalpije prijelaza

Zagrijavanjem leda do 0 °C počinje taljenje leda. Taljenjem leda dolazi do narušavanja pravilne strukture leda. Vezivanjem topline raste kinetička energija pojedinih molekula vode u ledu koje imaju dovoljnu energiju za savladavanje vodikovih veza među njima. Dovođenjem topline temperatura ne raste dok sav led ne prijeđe u vodu. Toplina koju led treba apsorbirati kako bi iz čvrstoga prešao u tekuće agregacijsko stanje jest entalpija taljenja. 

Daljnjim zagrijavanjem sve je manji broj vodikovih veza u vodi. Zagrijavanjem vode na 100 °C dolazi do njezina vrenja, a temperatura ne raste dok sva voda ne ispari. Toplina dovedena pri isparavanju jest entalpija isparavanja. 

Osim entalpija taljenja i isparavanja, ostale entalpije prijelaza su entalpija kondenzacije, entalpija kristalizacije i entalpija sublimacije.