Când fierbeți apă pentru ceai sau aprindeți o lumânare, căldura se deplasează între sistem și mediul înconjurător. Acest schimb este explicat prin entalpie, o modalitate de a măsura conținutul total de căldură al unui sistem.

Chimiștii folosesc formula entalpiei, H = U + PV, pentru a calcula schimbările de căldură în reacții sau tranziții de fază. În acest ghid, veți învăța despre schimbarea entalpiei, entalpia standard și cum să utilizați aceste concepte pentru a rezolva probleme de chimie din lumea reală.

Schimbarea de entalpie: Rezumat rapid

Aveți nevoie doar de noțiunile de bază? Iată o explicație simplă a ceea ce este entalpia:

🟠 Entalpia (H): Conținutul total de căldură al unui sistem, calculat ca H = U + PV, unde U este energia internă, iar PV este lucrul presiune-volum.

🟠 Schimbare de entalpie (ΔH): Măsoară căldura absorbită sau eliberată în timpul unui proces la presiune constantă, cum ar fi reacțiile exoterme (ΔH [< 0]) sau endoterme (ΔH [> 0]).

🟠 Entalpia standard (ΔH°): Schimbarea de căldură măsurată în condiții standard (298 K; 1 bar) pentru reacții, schimbări de fază sau reacții de formare.

🟠 Entalpiile de tranziție de fază: Topirea, vaporizarea și sublimarea necesită energie, exprimată ca ΔH [topire], ΔH [vaporizare] și ΔH [sublimare].

🟠 Entalpia reacției (ΔH [reacție]): Entalpia reacției arată căldura eliberată sau absorbită în timpul unei reacții chimice la presiune constantă.

Ce este entalpia?

Entalpia (H) este conținutul total de căldură al unui sistem. Ea combină energia internă (U) a sistemului cu energia legată de presiunea și volumul acestuia (PV). Formula pentru entalpie este simplă:

H = U + PV

Entalpia este o funcție de stare, ceea ce înseamnă că depinde numai de stările inițială și finală ale sistemului, nu și de pașii parcurși pentru a ajunge acolo. Aceasta o face o modalitate consecventă de a măsura schimbările de energie în reacții și procese.

În procesele cu presiune constantă precum reacțiile chimice, modificarea entalpiei (ΔH) este egală cu căldura absorbită sau eliberată. De exemplu, într-o reacție de combustie, căldura eliberată poate fi calculată direct din ΔH.

Experimentați schimbările de entalpie în viața de zi cu zi. Atunci când fierbeți apă, se adaugă căldură pentru a-i crește temperatura și, în cele din urmă, pentru a-i schimba faza din lichid în gaz. Topirea gheții sau încălzirea supei implică schimburi de energie similare.

Schimbarea de entalpie (ΔH)

Schimbarea de entalpie (ΔH) măsoară căldura absorbită sau eliberată în timpul unui proces la presiune constantă. Aceasta arată dacă energia intră sau iese dintr-un sistem.

În reacții exotermice (ΔH < 0), căldura este eliberată în mediul înconjurător. Un bun exemplu este arderea metanului:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, (ΔH < 0)

Această reacție generează căldură, încălzind mediul înconjurător.

În reacții endotermice (ΔH > 0), căldura este absorbită. De exemplu, topirea gheții necesită căldură din mediul înconjurător:

H₂O(s) → H₂O(l), (ΔH > 0)

Iată o comparație rapidă a celor două procese:

Entalpia reacției și entalpia de reacție: ΔH₍reacție₎

Entalpia de reacție (ΔH₍reacție₎) măsoară schimbarea de căldură în timpul unei reacții chimice la presiune constantă. Aceasta ajută la calcularea cantității de energie care este eliberată sau absorbită atunci când reactanții devin produși.

Puteți calcula entalpia de reacție folosind această formulă:

ΔH₍reacție₎ = Σ ΔHf(produse) - Σ ΔHf(reactanți)

Aici, ΔHf reprezintă entalpia standard de formare, care este schimbarea de căldură atunci când un mol dintr-un compus se formează din elementele acestuia în stările lor standard.

Să luăm drept exemplu combustia metanului:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Folosind formula:

ΔH₍reacție₎ = [ΔHf(CO₂) + 2ΔHf(H₂O)] - [ΔHf(CH₄) + 2ΔHf(O₂)]

Cu aceste valori:

ΔHf(CO₂) = -393,5 kJ/mol, ΔHf(H₂O) = -285,8 kJ/mol, ΔHf(CH₄) = -74,8 kJ/mol și ΔHf(O₂) = 0 kJ/mol.

Calculul devine:

ΔH₍reacție₎ = [-393,5 + 2(-285,8)] - [-74,8 + 2(0)]

ΔH₍reacție₎ = [-393,5 – 571,6] - [-74,8]

ΔH₍reacție₎ = -965,1 + 74,8

ΔH₍reacție₎ = -890,3 kJ/mol

Arderea unui mol de metan eliberează 890,3 kJ de energie.

Entalpia standard: ΔH°

Entalpia standard (ΔH°) reprezintă schimbarea de căldură în timpul unui proces măsurat în condiții standard: 298 K (temperatura camerei) și 1 bar presiune. Aceste condiții oferă o referință pentru compararea schimbărilor de căldură în reacții și procese.

Tipuri de entalpie standard

1. Entalpia standard de formare (ΔHf°):

Aceasta este schimbarea de căldură atunci când un mol dintr-un compus se formează din elementele sale în stările lor cele mai stabile. De exemplu:

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

2. Entalpia standard de combustie (ΔHc°):

Aceasta măsoară căldura degajată atunci când un mol de substanță arde complet în oxigen. De exemplu:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, (ΔHc° = -890,3 kJ/mol)

3. Entalpia standard de vaporizare (ΔHvap°):

Aceasta este energia necesară pentru a transforma un mol de lichid în gaz. Pentru apă:

H₂O(l) → H₂O(g), (ΔHvap° = 40,7 kJ/mol)

4. Entalpia standard de topire (ΔHfus°):

Aceasta măsoară căldura necesară pentru topirea unui mol de solid într-un lichid. Pentru gheață:

H₂O(s) → H₂O(l), (ΔHfus° = 6,01 kJ/mol)

Entalpia în tranzițiile de fază

Tranzițiile de fază implică schimbări în starea fizică a unei substanțe, cum ar fi topirea, fierberea sau sublimarea. Aceste procese au loc la o temperatură constantă, unde energia adăugată sau îndepărtată este utilizată pentru a rupe sau forma legături intermoleculare, nu pentru a schimba energia cinetică. Fiecare tip de tranziție are o valoare entalpică specifică.

Entalpia de topire

Topirea are loc atunci când un solid se transformă în lichid. Acest proces necesită energie pentru a rupe forțele intermoleculare fără a crește temperatura. Entalpia de topire (ΔH₍topire₎) reprezintă energia necesară pentru topirea unui mol de solid în condiții standard.

Exemplu: Topirea gheții
Pentru a topi 1 mol de gheață la 0°C, entalpia de topire este:

ΔH₍topire₎ = 6,01 kJ/mol

Exemplu de calcul:
Dacă 2 moli de gheață se topesc, energia totală necesară este:

ΔH = n × ΔH₍topire₎
ΔH = 2 mol × 6,01 kJ/mol
ΔH = 12,02 kJ

Entalpia de vaporizare

Vaporizarea este schimbarea de fază de la lichid la gaz. Aceasta necesită energie pentru a separa particulele suficient de mult pentru a depăși forțele intermoleculare. Entalpia de vaporizare (ΔH₍vaporizare₎) măsoară căldura necesară pentru a vaporiza un mol de lichid în condiții standard.

Pentru apă:

ΔH₍vaporizare₎ = 40,7 kJ/mol

Exemplu de calcul:

Pentru a vaporiza 0,5 mol de apă:

ΔH = n × ΔH₍vaporizare₎
ΔH = 0,5 mol × 40,7 kJ/mol
ΔH = 20,35 kJ

Entalpia de sublimare

Sublimarea este trecerea directă de la solid la gaz. Entalpia de sublimare (ΔH₍sublimare₎) combină energiile de topire și vaporizare:

ΔH₍sublimare₎ = ΔH₍fuziune₎ + ΔH₍vaporizare₎

Pentru apă:

ΔH₍sublimare₎ = 6,01 kJ/mol + 40,7 kJ/mol
ΔH₍sublimare₎ = 46.71 kJ/mol

Exemplu de calcul:

Pentru a sublima 3 moli de gheață:

ΔH = n × ΔH₍sublimare₎
ΔH = 3 mol × 46,71 kJ/mol
ΔH = 140,13 kJ

Calcularea entalpie

Calculele exacte ale entalpiei ajută la măsurarea transferului de căldură și a schimbărilor de energie în procesele chimice. Să explorăm exemple care implică schimbări de temperatură, entalpie de reacție și tranziții de fază.

Transferul de căldură în reacțiile chimice

Transferul de căldură în timpul unei schimbări de temperatură utilizează formula:

q = m × c × ΔT

Unde:

• q = căldura absorbită sau eliberată (J)
• m = masa substanței (g)
• c = capacitatea calorică specifică (J/g°C)
• ΔT = variația temperaturii (°C)

Exemplu: Încălzirea apei

Calculați căldura absorbită de 100 g de apă încălzită de la 25°C la 100°C, cu c = 4,18 J/g°C:
q = m × c × ΔT
q = 100 × 4,18 × (100 - 25)
q = 100 × 4,18 × 75
q = 31,350 J sau 31,35 kJ

Calcularea entalpiei de reacție

Entalpia reacției se calculează folosind:

ΔH₍reacție₎ = Σ ΔHf(produse) - Σ ΔHf(reactanți)

Exemplu: Combustia de metan

Pentru reacția CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O:

• ΔHf(CH₄) = -74,8 kJ/mol
• ΔHf(CO₂) = -393,5 kJ/mol
• ΔHf(H₂O) = -285,8 kJ/mol

ΔH₍reacție₎ = [-393,5 + 2(-285,8)] - [-74,8 + 2(0)]
ΔH₍reacție₎ = -965,1 + 74,8
ΔH₍reacție₎ = -890,3 kJ/mol

Calcularea entalpiei tranziției de fază

Modificările de entalpie în timpul tranzițiilor de fază implică:

ΔH₍total₎ = n × (ΔH₍topire₎ + ΔH₍vaporizare₎)

Exemplu: Congelarea și fierberea apei

Pentru 2 moli de apă:

• ΔH₍ topirea₎ = 6,01 kJ/mol
• ΔH₍vaporizare₎ = 40,7 kJ/mol

ΔH₍total₎ = 2 × (6,01 + 40,7)
ΔH₍total₎ = 2 × 46,71
ΔH₍total₎ = 93,42 kJ

Îmbunătățiți-vă cunoștințele despre entalpie

Aveți dificultăți cu entalpia reacției sau cu schimbarea de entalpie? Puteți găsi mai multe subiecte utile în blogurile noastre de Chimie. sau căutați un meditator, care să vă explice într-un mod care este pe înțelesul dumneavoastră.

Căutați un meditator folosind expresii precum "meditator chimie Suceava" sau "profesor chimie Brașov" pe platforme precum meet'n'learn. Veți găsi pe cineva care poate adapta lecțiile la nevoile dumneavoastră.

Dacă preferați să învățați în grup, căutați online "clase de chimie Timișoara" sau "lecții de chimie București". Căutarea vă va conduce la meditații de chimie în apropiere.

Entalpia: Întrebări frecvente

1. Ce este entalpia în chimie?

Entalpia este conținutul total de căldură al unui sistem, calculat folosind H = U + PV, unde U este energia internă, P este presiunea, iar V este volumul.

2. Ce reprezintă ΔH?

ΔH reprezintă variația entalpiei, măsurând căldura absorbită sau eliberată în timpul unui proces la presiune constantă.

3. Cum diferă reacțiile exotermice de cele endotermice?

Reacțiile exotermice eliberează căldură și au ΔH < 0, în timp ce reacțiile endotermice absorb căldură cu ΔH > 0.

4. Ce este entalpia standard (ΔH°)?

Entalpia standard se referă la variația de entalpie măsurată în condiții standard de 298 K și 1 bar.

5. Cum se calculează entalpia de reacție (ΔH₍reaction₎)?

Entalpia de reacție se calculează folosind ΔH₍reaction₎ = Σ ΔHf(produse) - Σ ΔHf(reactanți).

6. Ce este entalpia de topire (ΔH₍melting₎)?

Entalpia de topire este căldura necesară pentru a transforma un mol de solid într-un lichid la temperatură și presiune constante.

7. Cum afectează temperatura entalpia?

Temperaturile mai ridicate cresc interacțiunile moleculare și energia internă, crescând entalpia sistemului.

8. Ce este entalpia de vaporizare (ΔH₍vaporizare₎)?

Entalpia de vaporizare este căldura necesară pentru a transforma un mol de lichid într-un gaz la temperatură și presiune constante.

Surse:

1. Geeks for Geeks
2. Britannica
3. Wikipedia