Υπολογισμός στοιχειομετρίας σε θερμοχημικές εξισώσεις

Με μια ματιά

Καταγράφεις τη θερμοχημική εξίσωση με τους συντελεστές, τις φυσικές καταστάσεις, τις συνθήκες και τη μεταβολή ενθαλπίας που αντιστοιχεί σε αυτή τη βάση. Μετατρέπεις σε mol την ποσότητα που αντιδρά ή παράγεται και κλιμακώνεις τη μεταβολή ενθαλπίας με $\deltaH_{\text{δείγματος}}=(n/\nu)\deltaH_{\text{αντίδρασης}}$, όπου $n$ είναι τα mol της ουσίας που καταναλώνονται ή σχηματίζονται και $\nu$ ο στοιχειομετρικός συντελεστής της. Αρχική ποσότητα χρησιμοποιείς μόνο όταν η μετατροπή είναι πλήρης. Αν χρησιμοποιείς πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού, αφαιρείς το άθροισμα των αντιδρώντων από το άθροισμα των προϊόντων, με όλους τους συντελεστές και τις ίδιες φυσικές καταστάσεις. Δίνεις το αποτέλεσμα με πρόσημο και μονάδα και δηλώνεις αν το σύστημα αποδίδει ή απορροφά θερμότητα.

2Μέθοδος

1. Καταγράφεις τη θερμοχημική εξίσωση όπως δίνεται, με συντελεστές, φυσικές καταστάσεις, συνθήκες και τιμή της μεταβολής ενθαλπίας. Έτσι διατηρείς τη βάση στην οποία ανήκει η ενεργειακή τιμή. Έλεγχος: η εξίσωση είναι ισοσταθμισμένη και όλα τα δεδομένα αναφέρονται στις ίδιες φυσικές καταστάσεις.
2. Μετατρέπεις σε mol την ποσότητα που καταναλώνεται ή σχηματίζεται και τη συγκρίνεις με τον συντελεστή της αντίστοιχης ουσίας. Αρχική ποσότητα χρησιμοποιείς μόνο αν η εκφώνηση δηλώνει πλήρη μετατροπή. Έτσι βρίσκεις πόσες φορές πραγματοποιείται η αντίδραση όπως γράφεται. Έλεγχος: διαιρείς τα mol που αντιδρούν ή παράγονται με τον στοιχειομετρικό συντελεστή της ουσίας.
3. Προσδιορίζεις τη μεταβολή ενθαλπίας της αντίδρασης στην καταγεγραμμένη βάση. Αν δίνονται πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού, αφαιρείς το άθροισμα των αντιδρώντων από το άθροισμα των προϊόντων και εφαρμόζεις όλους τους συντελεστές. Έλεγχος: κρατάς τα πρόσημα, τις φυσικές καταστάσεις και την κοινή μονάδα ενέργειας ανά mol.
4. Πολλαπλασιάζεις τη μεταβολή ενθαλπίας της καταγεγραμμένης αντίδρασης με τον παράγοντα που βρήκες. Έτσι μεταφέρεις την ενεργειακή τιμή στη ζητούμενη ποσότητα. Έλεγχος: αν η ποσότητα είναι μικρότερο κλάσμα της στοιχειομετρικής ποσότητας, το μέτρο του αποτελέσματος μειώνεται με τον ίδιο λόγο.
5. Γράφεις το αποτέλεσμα με πρόσημο και μονάδα και δηλώνεις αν το σύστημα αποδίδει ή απορροφά θερμότητα. Έλεγχος: το πρόσημο, η λεκτική ερμηνεία και η βάση της τελικής τιμής συμφωνούν μεταξύ τους.

3Άμεση κλιμάκωση θερμοχημικής εξίσωσης

Για αυτό το συνθετικό διδακτικό παράδειγμα, θεωρείς ότι η ακόλουθη θερμοχημική εξίσωση ισχύει στις δηλωμένες φυσικές καταστάσεις και σε σταθερές συνθήκες:

Χρησιμοποιείς ως δοσμένη διδακτική τιμή, όχι ως μετρημένη τιμή αναφοράς, τη μεταβολή ενθαλπίας για την εξίσωση όπως γράφεται:

Υπολογίζεις τη μεταβολή ενθαλπίας όταν αντιδρούν πλήρως, στις ίδιες συνθήκες:

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Διατηρείς τη βάση της εξίσωσης: η τιμή των:

   $$-198\,\unit{kJ}$$

   αντιστοιχεί σε:

   $$2\,\unit{mol}\ \chem{SO_2}$$
2. Δείξε το βήμα 2

   Βρίσκεις τον παράγοντα πραγματοποίησης της αντίδρασης:

   $$\frac{0{,}50}{2}=0{,}25$$
3. Δείξε το βήμα 3

   Κλιμακώνεις τη μεταβολή ενθαλπίας:

   $$\deltaH_{\text{δείγματος}}=0{,}25\cdot(-198\,\unit{kJ})=-49{,}5\,\unit{kJ}$$
4. Δείξε το βήμα 4

   Το αρνητικό πρόσημο δείχνει ότι το αντιδρών σύστημα αποδίδει θερμότητα στο περιβάλλον.

4Αριθμητικό ερώτημα δομής πανελλαδικής εξέτασης

Για αυτό το συνθετικό ερώτημα ορίζεις αριθμητική απάντηση και βαρύτητα 5 μονάδων. Υπολογίζεις την πρότυπη μεταβολή ενθαλπίας από πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού, την κλιμακώνεις σε δοσμένη μάζα και δηλώνεις αν το σύστημα απορροφά ή αποδίδει θερμότητα. Για αυτό το συνθετικό εξεταστικό παράδειγμα, χρησιμοποιείς την ακόλουθη αντίδραση ως υπόθεση της εκφώνησης:

Θεωρείς τις ακόλουθες πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού ως υποθετικά δεδομένα της εκφώνησης, όχι ως μετρημένες τιμές αναφοράς:

Θεωρείς ότι η ακόλουθη μάζα τετροξειδίου του αζώτου διασπάται πλήρως στις συνθήκες των δοσμένων ενεργειακών δεδομένων και χρησιμοποιείς τη δοσμένη μοριακή μάζα:

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Υπολογίζεις την πρότυπη μεταβολή ενθαλπίας της αντίδρασης:

   $$\deltaH^{\circ}=2\cdot(+34{,}0)-(+10{,}0)=+58{,}0\,\unit{kJ}$$
2. Δείξε το βήμα 2

   Μετατρέπεις τη μάζα του αντιδρώντος σε mol:

   $$n=\frac{18{,}4}{92{,}0}=0{,}200\,\unit{mol}$$
3. Δείξε το βήμα 3

   Επειδή ο συντελεστής του:

   $$\chem{N_2O_4}$$

   είναι 1, ο παράγοντας πραγματοποίησης της αντίδρασης είναι:

   $$0{,}200$$
4. Δείξε το βήμα 4

   Κλιμακώνεις τη μεταβολή ενθαλπίας:

   $$\deltaH_{\text{δείγματος}}=0{,}200\cdot(+58{,}0\,\unit{kJ})=+11{,}6\,\unit{kJ}$$
5. Δείξε το βήμα 5

   Το θετικό πρόσημο δείχνει ότι το αντιδρών σύστημα απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον.

5Συνηθισμένα λάθη

• Η ενεργειακή τιμή ανήκει στην εξίσωση όπως γράφεται. Αν αλλάξεις τους συντελεστές, άλλαξε με τον ίδιο παράγοντα και τη μεταβολή ενθαλπίας.
• Η φυσική κατάσταση επηρεάζει τη μεταβολή ενθαλπίας. Σύγκρινε τις καταστάσεις στην εξίσωση με εκείνες των δεδομένων πριν υπολογίσεις.
• Η μεταβολή ενθαλπίας από σχηματισμούς ισούται με το άθροισμα των προϊόντων μείον το άθροισμα των αντιδρώντων. Υπολόγισε χωριστά τα δύο αθροίσματα και διατήρησε τα πρόσημα.
• Ο στοιχειομετρικός συντελεστής καθορίζει τον βαθμό προχώρησης. Διαίρεσε τα mol που αντιδρούν ή παράγονται με τον συντελεστή πριν κλιμακώσεις την ενεργειακή τιμή.
• Το τελικό αποτέλεσμα χρειάζεται πρόσημο, μονάδα και φυσική ερμηνεία. Γράψε και τα τρία, μαζί με τη φορά μεταφοράς της θερμότητας.

6Κριτήρια αξιολόγησης

• Καταγράφεις σωστά τη βάση της θερμοχημικής εξίσωσης, μαζί με συντελεστές και φυσικές καταστάσεις.

• Μετατρέπεις τη δοσμένη ποσότητα σε mol και τη συσχετίζεις με τον σωστό στοιχειομετρικό συντελεστή.

• Χρησιμοποιείς τη δοσμένη μεταβολή ενθαλπίας ή υπολογίζεις σωστά το άθροισμα προϊόντων μείον το άθροισμα αντιδρώντων.

• Κλιμακώνεις τη μεταβολή ενθαλπίας με τον παράγοντα πραγματοποίησης της αντίδρασης.

• Δίνεις τελικό αποτέλεσμα με σωστό πρόσημο και μονάδα και ερμηνεύεις τη φορά μεταφοράς της θερμότητας.