Entalpiberäkningar

Vi ska se hur man kan beräkna reaktionsentalpier på olika sätt och börjar med beräkning med hjälp av standardbildningsentalpier.

Exempel 1. Beräkna förbränningsentalpin vid standardtillstånd och 25^oC för förbränning av naturgas som vi antar består av metan. Reaktionsformel:

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l)

Lösning

Ur tabell får vi bildningsentalpierna för reaktanter och produkter

ΔH_f⁰(CH₄(g)) = -74,85 kJ/mol

ΔH_f⁰(O₂(g)) = 0 kJ/mol

ΔH_f⁰(CO₂(g)) = -393,5 kJ/mol

ΔH_f⁰(H₂O(l)) = -285,8 kJ/mol

Förbränningsentalpin är i detta fall samma som reaktionsentalpin och den får vi som skillnaden i bildningsentalpi mellan produkter och reaktanter.

ΔH_r⁰ = ΔH_f⁰(CO₂(g)) + 2 · ΔH_f⁰(H₂O(l)) – [ΔH_f⁰(CH₄(g)) + 2 · ΔH_f⁰(O₂(g))] =

= -393,5 kJ/mol + 2 · (-285,8 kJ/mol) – [-74,85 kJ/mol + 2 · 0 kJ/mol] =

= -890,25 kJ/mol

Svar: ΔH_c⁰ = ΔH_r⁰ = -890,25 kJ/mol

Vi kan lösa samma uppgift med hjälp av ett entalpidiagram där vi ritar in nivåerna för reaktanter och produkter genom att addera bildningsentalpierna för de olika ämnena. Sedan får vi entalpiändringen för reaktionen som skillnaden mellan dessa nivåer.

Ibland nöjer vi oss med ett ungefärligt värde och kan då använda en tabell med bindningsentalpier.

Bindningsentalpier är ungefärliga värden på entalpin som frigörs då en bindning bildas.

Exempel 3. Beräkna reaktionsentalpinför reaktionen

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Genom att använda tabellvärden på bindningsentalpierna

C-H = +414 kJ/mol

Cl-Cl = +243 kJ/mol

C-Cl = +346kJ/mol

H-Cl = +432 kJ/mol

Lösning

Bindningarna som bildas i produkterna är 3 C-H, 1 C-Cl och 1 H-Cl. Entalpin som frigörs är 3 · 414 kJ/mol + 346 kJ/mol + 432 kJ/mol = 2020 kJ/mol

Bindningarna som bryts i reaktanterna är 4 C-H och 1 Cl-Cl. Entalpin som åtgår är 4 · 414 kJ/mol + 243 kJ/mol = 1899 kJ/mol.

Det frigörs således mer entalpi än vad som åtgår. Reaktionen är exoterm. Den frigjorda entalpin är 2020 kJ/mol – 1899 kJ/mol = 121 kJ/mol.

ΔH_r⁰ = -121 kJ mol^-1(negativt värde därför att reaktionen är exoterm)

Om vi vet värdet på reaktionsentalpin för några olika reaktioner kan vi kombinera dessa värden för att på så sätt beräkna värdet för en reaktion så som följande exempel visar.

Exempel 4. Beräkna reaktionsentalpin för reaktionen

2 CO(g) + O₂(g) → 2 CO₂(g)

genom att använda värdena

C(s) + ½ O₂(g) → CO(g) ΔH_f⁰ = -110,5 kJ/mol

C(s) + O₂(g) → CO²(g) ΔH_f⁰ = -393,5 kJ/mol

Lösning

Om vi dubblerar koefficienterna i båda reaktionerna och vänder den första reaktionen så att den går från vänster till höger får vi

2 CO(g) → 2 C(s) + O₂(g) ΔH_r⁰ = +221,0 kJ/mol

2C(s) + 2 O₂(g) → 2 CO₂(g) ΔH_r⁰ = -787,0 kJ/mol

Lägg märke till att vi nu inte längre kan tala om bildningsentalpi utan om reaktionsentalpi och att vi fått dubblera värdena eftersom koefficienterna fördubblats. Den första reaktionen har blivit endoterm då den går åt andra riktningen så vi får byta tecken på entalpiändringen.

Vi summerar nu de båda reaktionerna och förenklar reaktionsformeln. Vi kan då också summera entalpiändringarna som Hess lag säger för att få fram den sökta entalpiändringen.

2 CO(g) → 2 C(s) + O₂(g) ΔH_r⁰ = +221,0 kJ/mol

2 C(s) + 2 O₂(g) → 2 CO₂(g) ΔH_r⁰ = -787,0 kJ/mol

2 CO(g) + 2 C(s) + 2 O₂(g) → 2 C(s) + O₂(g) + 2 CO₂(g)

2 CO(g) + O₂(g) → 2 CO₂(g) ΔH_r⁰ = +221,0 kJ/mol +

+ (-787,0) kJ/mol = -566,0 kJ/mol