Entalpia


Keemiliste reaktsioonide kulgemisel kaasnevat energiat nimetatakse keemiliseks energiaks. Keemilistel reaktsioonidel esinevad alati energeetilised efektid – energia vabanemine või neeldumine –, mille soojushulka on võimalik katseliselt kindlaks määrata. Sellega tegelev keemia osa on termodünaamika.

Entalpia muutu tähistatakse ΔH-ga ning see näitab, kui palju tehakse tööd, et keemilisi sidemeid lõhkuda või luua ehk kas reaktsioon neelab energiat või annab energiat ära. Seega on eksotermilise reaktsiooni soojusefekt (entalpiamuut) ΔH<0, mis näitab seda, et saadusainete energia on väiksem kui lähteainete energia. Endotermilist reaktsiooni entalpiamuutu ehk soojusefekti märgitakse ΔH>0, mis näitab, et saadusainete energia on suurem, kui lähteainete energia.

Kui keemilisel reaktsioonil eraldub energiat väliskeskkonda, nimetatakse reaktsiooni eksotermiliseks reaktsiooniks (Joonis 2.). Selle reaktsiooni käigus eraldub soojust (lahus läheb kuumaks), luuakse keemilisi sidemeid ning reaktsiooni soojusefekt (soojuse eraldumine või neeldumine) on negatiivne, ehk reaktsoon annab energiat ära. S.t süsteemi energia väheneb. Energiahulk, mis on vajalik reaktsiooni käivitamiseks, on väiksem kui sellise reaktsiooni käigus vabanev energiahulk. Eksotermilisi reaktsioone märgitakse miinusmärgiga. Tuntuim näide on põlemine (hapnikuga reageerimine). Veel on eksotermilised reaktsioonid naatriumi reageerimine veega, lubja kustutamisreaktsioon, plahvatus (Joonis 1.) jne.

Joonis 1. Plahvatus – eksotermiline reaktsioon.

Endotermilise reaktsiooni käigus neeldub energiat väliskeskkonnast (Joonis 2). Energia juurdeandmiseks reaktsioonisaadusi soojendatakse, lõhutakse keemilisi sidemeid ning reaktsiooni soojusefekt on positiivne, mis tähendab seda, et reaktsioon võtab energiat väliskeskkonnast juurde. Energiahulk, mida on vaja reaktsiooni käivitamiseks, on suurem kui selle reaktsiooni käigus neelduv energiahulk. Endotermilisi reaktsioone märgitakse plussmärgiga.

Joonis 2. Endo- ja eksotermiliste reaktsioonide lähte- ja saadusainete energia suhe.

Tuntuim endotermiline reaktsioon on jää sulamine, aga veel saab tuua näiteks elavhõbeoksiidi ja kaaliumpermanganaadi lagunemisreaktsioonid kuumutamisel, lubjakivi „põletamisreaktsiooni“ jne. Endotermiline reaktsioon on ka auramine (Joonis 3), kus soojus ehk energia neeldub auramise käigus, mis on ka põhjuseks, miks higistamine jahutab keha.

Joonis 3. Vee auramine – endotermiline reaktsioon.

Reaktsiooni ekso- või endotermilisuse määrab asjaolu, kas reaktsiooni käigus eraldub või neeldub soojust, mitte aga see, kas reaktsiooni kulgemiseks on vaja lähteaineid soojendada.

Tabel 1. Endo-ja eksotermiliste reaktsioonide võrdlustabel

Reaktsiooni nimetusEksotermiline reaktsioonEndotermiline reaktsioon
Entalpia muutΔH<0ΔH>0
Sidemetega toimuvad muutusedSidemete loomineSidemete lõhkumine
EnergiamuutEnergia eraldumine(lahus soojeneb)Energia neeldumine(lahus jaheneb)
SoojusefektNegatiivnePositiivne
Soojusefekti märkimine„-“ märgiga„+“ märgiga

Reaktsioonientalpiat ehk neeldunud või eraldunud energia hulka on võimalik välja arvutada. Esimene viis, kuidas seda arvutada saab, on tekkeentalpiate järgi.

Reaktsioonientalpia arvutamine tekkeentalpia järgi

VALEM: ΔH = ΣΔHf(saadusained) – ΣΔHf(lähteained)

Σ – saadus- või lähteainete entalpiate summa

ΔHf – moodustamine (ingl. k. formation)

Entalpiat tähistatakse J/mol (džaul ühe mooli kohta)

Seda valemit saab kasutada näiteks siis, kui tegemist on oksiidi ja soola reageerimisega. Tekkeentalpiale vastab reaktsioonientalpia, kus stabiilsetest lihtainetest tekib üks mool saadusainet. Kõikide stabiilsete lihtainete tekkeentalpia on 0. Mittestabiilsetel lihtainetel on tekkeentalpia nullist erinev.

Näidisülesanne 1:

Arvutage reaktsiooni Al2O3 + 3SO3 -> Al2(SO4)3 reaktsioonientalpia, kui Al2O3, SO3 ja Al2(SO4)3 tekkeentalpiad on vastavalt -1670,2 kJ/mol, -395,3 kJ/mol ja -3435,8 kJ/mol.

Lahenduskäik:

Lähteained: ΔHf(Al2O3) = -1670,2 kJ/mol

ΔHf(SO3) = -395,3 kJ/mol

Saadusained: ΔHf(Al2(SO4)3) = -3435,8 kJ/mol

(Andmete üleskirjutamine annab ülevaatlikuma pildi.)

Valemisse ΔH = ΣΔHf(saadusained) – ΣΔHf(lähteained) sümbolite asemele kirjutatakse ainete tekkeentalpiate väärtused, kusjuures saadusainete (Al2O3 ja SO3) tekkeentalpiate väärtused liidetakse ning seal, kus on kordaja ees, korrutatakse tekkeentalpia väärtused kordajaga läbi. Saadakse selline tehe:

ΔH = -3435,8 kJ/mol – [3*(-395,3 kJ/mol) + (-1670,2 kJ/mol)] = -579,7 kJ

See näitab, et antud reaktsiooni reaktsioonientalpia on -579,7 kJ ehk reaktsioon on eksotermiline.

Teiseks reaktsioonientalpia välja arvutamise võimaluseks on teha seda põlemisentalpiate järgi.

Reaktsioonientalpia arvutamine põlemisentalpia järgi

VALEM: ΔH = ΣΔHc(lähteained) – ΣΔHc(saadusained)

Σ – lähte- ja saadusainete entalpiate summa

ΔHc – põlemine (ingl. k. combustion)

Entalpiat tähistatakse J/mol (džaul ühe mooli kohta)

Seda valemit saab kasutada ainete reageerimisel näiteks hapnikuga. Põlemisentalpiale vastab reaktsioonientalpia, kus orgaaniliste aine täielikul põlemisel moodustuvad CO2 ja H2O.

Näidisülesanne 2:

Arvutage reaktsiooni 2H2 + O2 -> H2O reaktsioonientalpia, kui H2 põlemisentalpia on -394 kJ/mol.

Lahenduskäik:

Algselt võib tunduda, et ei ole antud piisavalt algandmeid ning ülesannet ei saa lahendada. Tegelikult peab meeles pidama, et puhas hapnik ei põle ja ka vesi ei põle, seega nende põlemisentalpiad on võrdsed 0-ga.

Antud reaktsioonientalpiat saab leida valemist ΔH = ΣΔHc(lähteained) – ΣΔHc(saadusained). Sümbolid asendatakse arvudega ja kui ainel on kordaja ees, siis aine põlemisentalpia korrutatakse kordaja väärtusega läbi. Saadakse selline tehe:

ΔH = [2*(-394 kJ/mol) + 0 kJ/mol] -0 kJ/mol = -788 kJ/mol,

mis näitab, et antud reaktsiooni reaktsioonientalpia on -788 kJ/mol ja antud reaktsioon on eksotermiline.

Kokkuvõtteks:

Kui sul on reaktsioon: A + B = C + D, siis reaktsioonientalpia tekkeentalpiate järgi arvutaksid nii: (C + D) – (A + B), põlemisentalpiate järgi arvutaksid aga nii: (A + B) – (C + D).

Tähed A, B, C ja D tähistavad mingit ainet, ülesannetes on alati öeldud ainete tekke- või põlemisentalpiate väärtused.

NB! Alati tuleb rõhku panna sellele, kas sulle on antud põlemis- või tekkeentalpiad, kuna nende kaudu reaktsioonientalpia arvutamise jaoks on valemid erinevad!

Mõnikord on reaktsioonientalpia samaaegselt ühe reaktsioonis oleva aine tekke- ja teise aine põlemisentalpia.

Kõige lihtsam näide on siinkohal süsihappegaasi teke süsinikust ja hapnikust, kus valemis

C + O2 = CO2

on reaktsioonientalpia samaaegselt nii süsihappegaasi (CO2) tekkeentalpiaks kui ka süsiniku (C) põlemisentalpiaks.

Kasutatud allikad:

Entalpia

Eksotermiline reaktsioon

Leave a Reply