Ko zavrete vodo za čaj ali prižgete svečo, toplota prehaja med sistemom in okolico. Ta toplotna izmenjava se meri z entalpijo, ki opisuje skupno vsebnost toplote v sistemu.
Kemiki uporabljajo formulo $H = U + PV$, kjer $U$ pomeni notranjo energijo, $P$ tlak in $V$ prostornino sistema. Entalpija formula omogoča analizo toplotnih sprememb pri kemijskih reakcijah in faznih prehodih. V tem priročniku boste izvedeli, kako se uporablja sprememba entalpije, standardna entalpija in druge oblike entalpij pri reševanju kemijskih problemov.
Nadgradite učenje kemije: entalpija
Se vam kemija zdi zapletena in ne veste, kako se razlikujeta reakcijska in standardna entalpija? Če potrebujete pomoč pri učenju, je vedno dobro imeti nekoga, ki vam snov razloži na preprost način.
🟠 Entalpija $H$: Predstavlja skupno toplotno energijo sistema. Entalpija formula je $H = U + PV$, kjer je $U$ notranja energija, $P$ tlak, in $V$ prostornina sistema.
🟠 Sprememba entalpije $\Delta H$: Kaže, koliko toplote se sprosti ali absorbira med procesom pri stalnem tlaku. Poznamo eksotermne $\Delta H < 0$ (energija se sprosti) in endotermne reakcije $\Delta H > 0$ (energija se veže).
🟠 Standardna entalpija $\Delta H^\circ$: Sprememba toplote pri kemijski reakciji, faznem prehodu ali pretvorbi pri standardnih pogojih ($298\,\text{K};\ 1\,\text{bar}$).
🟠 Entalpija faznih prehodov: Procesi, kot so taljenje, uparjanje ali sublimacija, zahtevajo energijo, izraženo kot $\Delta H_\text{mol}$, $\Delta H_\text{vap}$ in $\Delta H_\text{sub}$.
🟠 Entalpija reakcije $\Delta H_\text{reakcija}$: Entalpija reakcije predstavlja spremembo toplote, ki jo sistem sprosti ali absorbira med kemijsko reakcijo pri stalnem tlaku.
Kaj je entalpija in entalpija formula
Entalpija ($H$) opisuje skupno toploto v sistemu. Združuje notranjo energijo ($U$) sistema in energijo, povezano s tlakom in prostornino ($PV$). Za izračun uporabljamo preprosto entalpija formulo:
$H = U + PV$
Entalpija je funkcija stanja, kar pomeni, da je določena izključno z začetnim in končnim stanjem sistema. Na vmesne korake ali postopke, ki do tega vodijo, ne vpliva. Zaradi tega lastnosti je idealna za merjenje energijskih sprememb v kemijskih reakcijah in procesih.
Pri procesih, ki potekajo pri stalnem tlaku, kot so kemijske reakcije, sprememba entalpije ($\Delta H$) predstavlja količino toplote, ki se sprosti ali absorbira. Na primer, pri reakciji zgorevanja lahko sproščeno toploto neposredno izračunate iz vrednosti $\Delta H$.
Spremembe entalpije opazimo tudi v vsakdanjem življenju. Ko zavrete vodo, dodana toplota poveča njeno temperaturo in jo nazadnje spremeni iz tekoče v plinasto fazo. Podobno se toplota prenaša pri taljenju ledu ali segrevanju hrane, kar so vse primeri energijskih prehodov med sistemom in okolico.
Sprememba entalpije ($\Delta H$)
Sprememba entalpije ($\Delta H$) meri toploto, ki se sprošča ali absorbira med procesom pri stalnem tlaku. Pokaže, ali toplota prehaja v sistem ali iz njega.
Pri eksotermnih reakcijah ($\Delta H < 0$) se toplota sprošča v okolico. Primer za to je zgorevanje metana:
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O \, (\Delta H < 0)$
Pri tej reakciji nastane toplota, ki segreva okolico.
Pri endotermnih reakcijah ($\Delta H > 0$) sistem absorbira toploto. Dober primer je taljenje ledu:
$H_2O(s) \rightarrow H_2O(l) \, (\Delta H > 0)$
Tabela primerja značilnosti eksotermnih in endotermnih procesov:
| Vrsta reakcije | Opis | $\Delta H$ | Primer |
| Eksotermne | Oddajajo toploto v okolico | $\Delta H < 0$ | Zgorevanje, zmrzovanje |
| Endotermne | Absorbirajo toploto iz okolice | $\Delta H > 0$ | Taljenje, izparevanje |
Entalpija reakcije ($\Delta H_\text{reakcija}$)
Entalpija reakcije ($\Delta H_\text{reakcija}$) meri spremembo toplote, ki nastane med kemijsko reakcijo pri stalnem tlaku. Z njeno pomočjo določimo, koliko energije se sprosti ali absorbira, ko reaktanti preidejo v produkte.
Reakcijsko entalpijo (entalpija rekacije) izračunamo z enačbo:
$\Delta H_\text{reakcija} = \sum \Delta H_f (\text{produkti}) – \sum \Delta H_f (\text{reaktanti})$
V formuli za reakcijsko entalpijo $\Delta H_f$ pomeni standardno entalpijo nastajanja, ki opisuje spremembo toplote pri tvorbi enega mola spojine iz njenih elementov v standardnih stanjih.
Za primer vzemimo zgorevanje metana:
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$
S pomočjo enačbe:
$\Delta H_\text{reakcija} = \left[ \Delta H_f (CO_2) + 2 \Delta H_f (H_2O) \right] – \left[ \Delta H_f (CH_4) + 2 \Delta H_f (O_2) \right]$
Pri naslednjih vrednostih:
$\Delta H_f (CO_2) = -393,5 \, \text{kJ/mol}$, $\Delta H_f (H_2O) = -285,8 \, \text{kJ/mol}$, $\Delta H_f (CH_4) = -74,8 \, \text{kJ/mol}$ in $\Delta H_f (O_2) = 0 \, \text{kJ/mol}$, dobimo:
$\Delta H_\text{reakcija} = \left[ -393,5 + 2(-285,8) \right] – \left[ -74,8 + 2(0) \right]$ $\Delta H_\text{reakcija} = -965,1 \, \text{kJ/mol}$
Tako se pri zgorevanju enega mola metana sprosti $965,1 \, \text{kJ}$ energije.
Standardna entalpija ($\Delta H^\circ$)
Standardna entalpija ($\Delta H^\circ$) opisuje spremembo toplote med procesom pri standardnih pogojih ($298 \, \text{K}$, $1 \, \text{bar}$). Ti pogoji omogočajo primerjavo energijskih sprememb različnih reakcijah in procesih.
Vrste standardne entalpije
1. Standardna entalpija nastajanja ($\Delta H_f^\circ$): Toplota, ki nastane pri tvorbi enega mola spojine iz elementov v njihovih standardnih stanjih. Na primer:
$\Delta H_f^\circ (\text{CO}_2) = -393,5 \, \text{kJ/mol}$
2. Standardna entalpija zgorevanja ($\Delta H_c^\circ$): Energija, ki se sprosti, ko en mol snovi popolnoma zgori v kisiku. Primer:
$\Delta H_c^\circ (\text{CH}_4) = -890,3 \, \text{kJ/mol}$
3. Standardna entalpija izhlapevanja ($\Delta H_\text{vap}^\circ$): Energija, potrebna za pretvorbo enega mola tekočine v plin. Za vodo:
$\Delta H_\text{vap}^\circ (\text{H}_2\text{O}) = 40,7 \, \text{kJ/mol}$
4. Standardna entalpija taljenja ($\Delta H_\text{mol}^\circ$): Energija za taljenje enega mola trdne snovi v tekočino. Za led:
$\Delta H_\text{mol}^\circ (\text{H}_2\text{O}) = 6,01 \, \text{kJ/mol}$
| Snov | $\Delta H_f^\circ$ (kJ/mol) | $\Delta H_c^\circ$ (kJ/mol) | $\Delta H_\text{vap}^\circ$ (kJ/mol) | $\Delta H_\text{mol}^\circ$ (kJ/mol) |
| Voda ($H_2O$) | $-285,8$ | N/A | $40,7$ | $6,01$ |
| Metan ($CH_4$) | $-74,8$ | $-890,3$ | N/A | N/A |
Entalpija pri faznih prehodih
Fazni prehodi so spremembe agregatnega stanja snovi, kot so taljenje, vrelišče ali sublimacija. Med temi procesi se energija porabi ali sprosti, ne da bi spremenila temperaturo. Dodana ali odvzeta toplota premaga ali okrepi medmolekulske sile, namesto da bi vplivala na kinetično energijo delcev. Vsak fazni prehod ima značilno entalpijo, ki opisuje potrebno ali sproščeno toploto.
Entalpija taljenja
Taljenje je prehod trdne snovi v tekočino. Ta proces zahteva energijo za prekinitev medmolekulskih vezi, pri čemer se temperatura ne spremeni. Entalpija taljenja ($\Delta H_\text{mol}$) opisuje količino toplote, potrebno za taljenje enega mol trdne snovi pri standardnih pogojih.
Primer taljenja ledu:
Za taljenje $1 \, \text{mol}$ ledu pri $0^\circ \text{C}$ je potrebna energija:
$\Delta H_\text{mol} = 6,01 \, \text{kJ/mol}$
Primer izračuna:
Če talite $2 \, \text{mol}$ ledu, potrebna energija znaša:
$\Delta H = n \cdot \Delta H_\text{mol}$
$\Delta H = 2 \, \text{mol} \cdot 6,01 \, \text{kJ/mol}$
$\Delta H = 12,02 \, \text{kJ}$
Entalpija izhlapevanja
Izhlapevanje je prehod iz tekočega v plinasto stanje. Energija je potrebna, da se delci oddaljijo dovolj, da premagajo medmolekulske sile. Entalpija izhlapevanja ($\Delta H_\text{vap}$) meri toploto, ki je potrebna za uparjanje enega mola tekočine pri standardnih pogojih.
Za vodo:
$\Delta H_\text{vap} = 40,7 \, \text{kJ/mol}$
Primer izračuna:
Za uparjanje $0,5 \, \text{mol}$ vode potrebujete:
$\Delta H = n \cdot \Delta H_\text{vap}$
$\Delta H = 0,5 \, \text{mol} \cdot 40,7 \, \text{kJ/mol}$
$\Delta H = 20,35 \, \text{kJ}$
Entalpija sublimacije
Sublimacija je neposreden prehod trdne snovi v plinasto stanje brez vmesnega tekočega stanja. Entalpija sublimacije ($\Delta H_\text{sub}$) je vsota entalpije taljenja in izhlapevanja:
$\Delta H_\text{sub} = \Delta H_\text{mol} + \Delta H_\text{vap}$
Za vodo:
$\Delta H_\text{sub} = 6,01 \, \text{kJ/mol} + 40,7 \, \text{kJ/mol}$
$\Delta H_\text{sub} = 46,71 \, \text{kJ/mol}$
Primer izračuna:
Če sublimirate $3 \, \text{mol}$ ledu, potrebujete:
$\Delta H = n \cdot \Delta H_\text{sub}$
$\Delta H = 3 \, \text{mol} \cdot 46,71 \, \text{kJ/mol}$
$\Delta H = 140,13 \, \text{kJ}$
Računanje z entalpijo
Izračuni entalpije omogočajo natančno merjenje prenosa toplote in energijskih sprememb v kemijskih procesih. Spodaj so predstavljeni primeri, ki vključujejo temperaturne spremembe, reakcijsko entalpijo in fazne prehode.
Prenos toplote pri temperaturnih spremembah
Za izračun toplote, ki se prenese med segrevanjem ali ohlajanjem snovi, uporabimo enačbo:
$q = m c \Delta T$
Kjer so:
- $q$: toplota, ki jo snov absorbira ali odda (J)
- $m$: masa snovi (g)
- $c$: specifična toplotna kapaciteta ($\text{J/g}^\circ\text{C}$)
- $\Delta T$: sprememba temperature ($^\circ \text{C}$)
Primer: Ogrevanje vode
Izračunajmo toploto, ki jo absorbira $100 \, \text{g}$ vode, ko se segreje s $25^\circ \text{C}$ na $100^\circ \text{C}$, ob specifični toplotni kapaciteti $c = 4,18 \, \text{J/g}^\circ \text{C}$:
$q = m c \Delta T$
$q = 100 \cdot 4,18 \cdot (100 – 25)$
$q = 100 \cdot 4,18 \cdot 75$
$q = 31.350 \, \text{J}$ ali $31,35 \, \text{kJ}$
Izračuni reakcijske entalpije
Reakcijska entalpija določa energijske spremembe med kemijsko reakcijo. Izračuna se z enačbo:
$\Delta H_{\text{reakcija}} = \sum \Delta H_f (\text{produkti}) – \sum \Delta H_f (\text{reaktanti})$
Primer: Zgorevanje metana
Za reakcijo $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ uporabimo naslednje standardne entalpije nastajanja:
- $\Delta H_f (CH_4) = -74,8 \, \text{kJ/mol}$
- $\Delta H_f (CO_2) = -393,5 \, \text{kJ/mol}$
- $\Delta H_f (H_2O) = -285,8 \, \text{kJ/mol}$
Izračun reakcijske entalpije:
$\Delta H_{\text{reakcija}} = [-393,5 + 2(-285,8)] – [-74,8 + 2(0)]$
$\Delta H_{\text{reakcija}} = [-965,1] + 74,8$
$\Delta H_{\text{reakcija}} = -890,3 \, \text{kJ/mol}$
Izračuni entalpije faznih prehodov
Pri faznih prehodih, kot so taljenje, vrelišče ali sublimacija, se entalpija izračuna z naslednjo enačbo:
$\Delta H_{\text{total}} = n \cdot (\Delta H_\text{mol} + \Delta H_\text{vap})$
Primer: zamrzovanje in izhlapevanje vode
Za $2 \, \text{mol}$ vode uporabimo naslednje vrednosti:
- $\Delta H_\text{mol} = 6,01 \, \text{kJ/mol}$
- $\Delta H_\text{vap} = 40,7 \, \text{kJ/mol}$
Izračun celotne entalpije:
$\Delta H_{\text{total}} = 2 \cdot (6,01 + 40,7)$
$\Delta H_{\text{total}} = 2 \cdot 46,71$
$\Delta H_{\text{total}} = 93,42 \, \text{kJ}$
Nadgradite učenje kemije: entalpija
Se vam kemija zdi zapletena in vas muči sprememba entalpije? Če potrebujete pomoč pri učenju, je vedno dobro imeti nekoga, ki vam snov razloži na preprost način.
Na spletu lahko poiščete inštruktorja ali učitelja kemije, na primer z iskanjem “inštruktor kemije Ljubljana” ali “učitelj kemije Maribor”. S pomočjo platforme meet’n’learn ali facebook skupine za inštrukcije lahko hitro najdete nekoga, ki vam bo pomagal.
Če raje delate v skupini, preverite “učne ure kemije Koper” ali “inštrukcije kemije Celje”. Skupinsko učenje je lahko prijetno, saj se lahko učite skupaj z drugimi.
Entalpija: pogosta vprašanja
1. Kaj je entalpija?
Entalpija je količina toplote, ki jo vsebuje sistem, in se izračuna z enačbo $H = U + PV$, kjer $U$ predstavlja notranjo energijo, $P$ tlak, $V$ pa prostornino sistema.
2. Kaj pomeni $\Delta H$?
$\Delta H$ označuje spremembo entalpije, ki meri toploto, ki jo sistem absorbira ali odda med procesom pri stalnem tlaku.
3. Kakšna je razlika med eksotermnimi in endotermnimi reakcijami?
Eksotermne reakcije oddajajo toploto v okolico, zato ima $\Delta H < 0$. Pri endotermnih reakcijah sistem absorbira toploto iz okolice, kar pomeni, da je $\Delta H > 0$.
4. Kaj je standardna entalpija ($\Delta H^\circ$)?
Standardna entalpija opisuje spremembo entalpije, ki jo izmerimo pri standardnih pogojih ($298 \, \text{K}$ in $1 \, \text{bar}$). Uporablja se za primerjavo energijskih sprememb med procesi.
5. Kako se izračuna reakcijska entalpija ($\Delta H_{\text{reakcija}}$)?
Reakcijska entalpija se izračuna z enačbo:
$\Delta H_{\text{reakcija}} = \sum \Delta H_f (\text{produkti}) – \sum \Delta H_f (\text{reaktanti})$,
kjer $\Delta H_f$ predstavlja standardno entalpijo nastajanja za posamezno snov.
6. Kaj je entalpija taljenja ($\Delta H_\text{mol}$)?
Entalpija taljenja je toplota, potrebna za pretvorbo enega mola trdne snovi v tekočino pri stalni temperaturi in tlaku.
7. Kako temperatura vpliva na entalpijo?
Z naraščanjem temperature se poveča kinetična energija delcev, kar dvigne tudi skupno entalpijo sistema.
8. Kaj pomeni entalpija izhlapevanja ($\Delta H_\text{vap}$)?
Entalpija izhlapevanja označuje energijo, potrebno za pretvorbo enega mola tekočine v plin pri konstantni temperaturi in tlaku.
Viri:
1. Geeks for Geeks
2. Britannica
3. Wikipedia
