úvod
V lekcii Energia pri reakciách sme Hessov zákon použili na jednom príklade. Teraz si z neho urobíme nástroj, ktorým sa dá vypočítať reakčné teplo takmer každej reakcie, bez kalorimetra.
teória
Dva termochemické zákony
Prvý termochemický zákon (Lavoisier a Laplace, 1780): reakčné teplo opačnej reakcie má rovnakú veľkosť a opačné znamienko.
- 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l), ΔH = −571,6 kJ
- 2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g), ΔH = +571,6 kJ
Druhý termochemický zákon (Hess, 1840): reakčné teplo závisí len od začiatočného a konečného stavu, nie od cesty. Je to priamy dôsledok toho, že entalpia je stavová veličina.
Z oboch zákonov vyplýva, ako s rovnicami narábať:
- otočená rovnica má ΔH s opačným znamienkom,
- rovnica vynásobená číslom má ΔH vynásobené tým istým číslom,
- sčítané rovnice majú sčítané ΔH.
teória
Skladanie rovníc
Rovnice, ktorých ΔH poznáme, otáčame a násobíme tak, aby po sčítaní ostala len hľadaná rovnica. Látky, ktoré v hľadanej rovnici nie sú, sa musia vykrátiť, teda objaviť sa raz vľavo a raz vpravo v rovnakom množstve.
vyskúšaj si
Hessov cyklus
Poskladaj zo známych rovníc cieľovú rovnicu C(s) + ½ O₂(g) → CO(g) a urč jej ΔH.
0 / 0Záporný násobok znamená otočenú rovnicu.
Súčet: všetko sa vykrátilo
ΔH súčtu = 0 kJ
Čo hovorí Hessov zákon?
0 / 0teória
Zlučovacie teplá
Skladať rovnice vždy odznova je zdĺhavé. Chemici preto zostavili tabuľky štandardných zlučovacích tepiel ΔH°f. Zlučovacie teplo je reakčné teplo vzniku 1 mol zlúčeniny z prvkov v ich štandardnom stave, pri 25 °C a štandardnom tlaku. Prvky v štandardnom stave, napríklad O₂(g), H₂(g), C(grafit) či Fe(s), majú zlučovacie teplo nulové.
| Látka | ΔH°f v kJ/mol |
|---|---|
| CO₂(g) | −393,5 |
| H₂O(l) | −285,8 |
| H₂O(g) | −241,8 |
| CH₄(g) | −74,8 |
| C₂H₅OH(l) | −277,7 |
| CaCO₃(s) | −1 206,9 |
| C₂H₄(g) | +52,3 |
| NO(g) | +90,3 |
Záporné zlučovacie teplo znamená, že zlúčenina je energeticky chudobnejšia ako prvky, z ktorých vznikla. Látky s kladným zlučovacím teplom, napríklad etín či oxid dusnatý, majú v sebe energiu navyše.
Zapamätaj si: reakčné teplo nezávisí od cesty, len od toho, z čoho sme začali a čo vzniklo. Keď rovnicu otočíme, ΔH zmení znamienko, keď ju vynásobíme, vynásobíme aj ΔH. Zlučovacie teplo je teplo vzniku 1 mol zlúčeniny z prvkov. Prvky majú zlučovacie teplo nulové.
Výpočet zo zlučovacích tepiel
Každú reakciu si môžeme predstaviť ako dva kroky cez prvky: reaktanty rozložíme na prvky (opačné zlučovacie teplá) a z prvkov poskladáme produkty (zlučovacie teplá). Preto
ΔH° = Σ ν · ΔH°f(produkty) − Σ ν · ΔH°f(reaktanty)
kde ν sú koeficienty z rovnice.
Príklad. Horenie metánu CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l):
ΔH° = [−393,5 + 2 · (−285,8)] − [−74,8 + 2 · 0] = −890,3 kJ
Výpočet zo spaľovacích tepiel
Pre organické látky sa ľahšie merajú spaľovacie teplá ΔH°c, teplo úplného spálenia 1 mol látky na CO₂ a H₂O. Pri výpočte ide cesta cez produkty spaľovania, preto je poradie opačné:
ΔH° = Σ ν · ΔH°c(reaktanty) − Σ ν · ΔH°c(produkty)
Ktoré palivo je najlepšie
Z rovnakých tabuliek sa dá porovnať energia palív na 1 g. Vodík uvoľní asi 142 kJ/g, metán 55 kJ/g, etanol 30 kJ/g a drevo asi 15 kJ/g. Vodík je na hmotnosť najlepší, ale ako plyn zaberá veľký objem, preto sa skladuje pod vysokým tlakom.
rozšírenie Termit: teplo z dvoch práškov
Zmes hliníka a oxidu železitého po zapálení zhorí s teplotou okolo 2 500 °C a vytečie z nej roztavené železo. Zo zlučovacích tepiel vychádza ΔH° = −1 675,7 − (−824,2) = −851,5 kJ na 1 mol Fe₂O₃. Takto sa dodnes zvárajú koľajnice priamo na trati.
teória
Časté chyby
- „Pri otočení rovnice ostane ΔH rovnaké.“ Zmení znamienko.
- „Kyslík má zlučovacie teplo −393,5 kJ/mol.“ To je CO₂. Prvky v štandardnom stave majú nulu.
- „Zlučovacie teplá netreba násobiť koeficientmi.“ Treba, ΔH°f platí pre 1 mol.
- „Produkty mínus reaktanty platí aj pre spaľovacie teplá.“ Pri spaľovacích teplách je to naopak.
Prečo má každá väzba svoju energiu a ako z nej odhadnúť reakčné teplo, ukáže lekcia Väzbové energie.