Hoppa direkt till:
Hess lag
Kortsvarsfrågor
Videogenomgång: Hess lag
-
Fråga a
Skriv de tre reaktionsformler som visar hur CH4(g), CO2(g) och H2O(l) bildas ur sina grundämnen vid standardtillståndet.Svar
C(s) + 2H2(g) → CH4(g)
C(s) + O2(g) → CO2(g)
H2(g) + ½O2(g) → H2O(l)
Fråga b
Stuva om reaktionsformlerna i fråga a) så att summan av dem (nettoreaktionen) blir lika med reaktionen CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l).Svar
CH4(g) → C(s) + 2H2(g)
C(s) + O2(g) → CO2(g)
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)
Fråga c
Beräkna förändringen i entalpi ∆H för reaktionen CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l). Använd dig av reaktionsformlerna i fråga b) tillsammans med nedanstående bildningsentalpier: \[\begin{aligned}\Delta H^0_\mathrm{f, CH_4} &= -75\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta H^0_\mathrm{f, CO_2} &= -395\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta H^0_\mathrm{f, H_2O} &= -286\mathrm{kJ/mol}\end{aligned}\]Lösning
-
Fråga
-
Skriv de tre reaktionsformler som visar hur CH4(g), CO2(g) och H2O(l) bildas ur sina grundämnen vid standardtillståndet.
-
Stuva om reaktionsformlerna i fråga a) så att summan av dem (nettoreaktionen) blir lika med reaktionen CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l).
-
Beräkna förändringen i entalpi ∆H för reaktionen CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l). Använd dig av reaktionsformlerna i fråga b) tillsammans med nedanstående bildningsentalpier: \[\begin{aligned}\Delta H^0_\mathrm{f, CH_4} &= -75\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta H^0_\mathrm{f, CO_2} &= -395\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta H^0_\mathrm{f, H_2O} &= -286\mathrm{kJ/mol}\end{aligned}\]
Svar
-
-
Fråga
Svar
Entropi. Gibbs fria energi
Kortsvarsfrågor
Videogenomgång: Entropi. Gibbs fria energi
-
Fråga
Haber-Bosch-processen är livsviktig för världens matförsörjning, men temperaturen spelar en avgörande roll för utbytet.
N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)
\(\Delta H = –92,2\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta S = -987,7\mathrm{J/(mol \cdot K)}\)- Beräkna \(\Delta G\) vid 773 K.
- Varför gör ett negativt värde på \(\Delta S\) att reaktionen blir mindre gynnsam vid högre temperaturer?
Svar
- \(\Delta G = +61,4\mathrm{kJ/mol}\)
- Vid hög temperatur blir termen \(-T\Delta S\) positiv (eftersom \(\Delta S < 0\)) och stor nog att överväga den negativa entalpin. Det betyder att vid höga \(T\) blir \(\Delta G > 0\) och att reaktionen inte längre är spontan mot höger vid denna temperatur (jämvikten förskjuts mot vänster).
Lösning (a)
\[\begin{aligned}\Delta G &= \Delta H - T\Delta S = \\ &= -92,2 \cdot 10^3\mathrm{J/mol} - 773\mathrm{K} \cdot (-198,7)\mathrm{J/mol} = \\ &= 61 395,1\mathrm{J/mol} \approx +61,4\mathrm{kJ/mol} \end{aligned}\] -
Fråga
För att tillverka cement värms kalksten upp så att den sönderfaller till kalciumoxid och koldioxid, så kallad kalkbränning:
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
\(\Delta H = –92,2\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta S = -987,7\mathrm{J/(mol \cdot K)}\)
Vid rumstemperatur (298 K) är reaktionen inte spontan. Beräkna vid vilken temperatur (i °C) reaktionen blir spontan (det vill säga när \(\Delta G < 0\)).Svar
Reaktionen blir spontan när temperaturen går över 839 °C.Lösning
Reaktionen övergår från icke-spontan till spontan när \(\Delta G = 0\). Vi får då följande:
\[\begin{aligned} \Delta G &= \Delta H - T\Delta S \\ 0 &= \Delta H - T\Delta S \\ T\Delta S &= \Delta H \\ T &= \frac {\Delta H}{\Delta S} = \frac {-178 \cdot 10^3 \mathrm{J/mol}}{-160\mathrm{J/(mol \cdot K)}} = 1 112,5\mathrm{K} = \\ &= (1112,5-273,15)°\mathrm{C} \approx 839°\mathrm{C} \end{aligned}\] -
Fråga
När en vätska förångas ökar oordningen markant. Vi kan använda Gibbs fria energi \(\Delta G\) för att hitta kokpunkten. Vi kan beskriva när etanol förångas med en reaktionsformel:
C2H5OH(l) → C2H5OH(g)
\(\Delta H = +38,6\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta S = +110\mathrm{J/(mol \cdot K)}\)
Vid kokpunkten råder jämvikt mellan vätska och gas, vilket innebär att \(\Delta G = 0\). Beräkna etanolens teoretiska kokpunkt i °C baserat på dessa värden.Svar
77,8 °CLösning
\[\begin{aligned} \Delta G &= \Delta H - T\Delta S \\ 0 &= \Delta H - T\Delta S \\ T\Delta S &= \Delta H \\ T &= \frac {\Delta H}{\Delta S} = \frac {38,6 \cdot 10^3 \mathrm{J/mol}}{110\mathrm{J/(mol \cdot K)}} = 350,909091\mathrm{K} = \\ &= (350,909091-273,15)°\mathrm{C} \approx 77,8°\mathrm{C} \end{aligned}\] -
Fråga
I bilmotorer reagerar kväve och syre från luften och bildar kvävemonoxid enligt nedanstående reaktionsformel:
N2(g) + O2(g) → 2NO(g)
\(\Delta H = +181\mathrm{kJ/mol} \\ \Delta S = +25\mathrm{J/(mol \cdot K)}\)
Beräkna \(\Delta G\) vid 25 °C och vid 1500 °C (en vanlig temperatur i en förbränningsmotor). Utgå ifrån värdena på \(\Delta G\) för att förklara varför det bildas NO i motorer men inte i vanlig rumsluft?Svar
Vid 25 °C blir \(\Delta G = +173,6\mathrm{kJ/mol}\) och vid 1500 °C blir \(\Delta G = +136,7\mathrm{kJ/mol}\). Vi ser att värdet på \(\Delta G\) sjunker, vilket innebär att reaktionen lättare inträffar. Reaktionen är fortfarande inte spontan, men det höga trycket och aktiveringsenergin från tändstiftet gör att det ändå kan bildas NO. (I själva verket krävs cirka 7000 K för att reaktionen ska bli spontan.)Lösning
\[\Delta G = \Delta H - T\Delta S\]
Vid 25 °C (298K):
\[\begin{aligned} \Delta G &= 181 \cdot 10^3\mathrm{J/mol} - 2983\mathrm{K} \cdot 25\mathrm{J/(mol \cdot K)} = \\ &= 173 550\mathrm{J/mol} \approx +173,6\mathrm{kJ/mol}\end{aligned}\]
Vid 1500 °C (1773K):
\[\begin{aligned} \Delta G &= 181 \cdot 10^3\mathrm{J/mol} - 1773\mathrm{K} \cdot 25\mathrm{J/(mol \cdot K)} = \\ &= 136 675\mathrm{J/mol} \approx +136,7\mathrm{kJ/mol}\end{aligned}\]
