🔥

Ενθαλπία – Εξώθερμες & Ενδόθερμες

Θερμότητα αντίδρασης, ΔΗ, πρότυπες ενθαλπίες

Γιατί η παγοκύστη του γηπέδου κρυώνει μόλις την πατήσεις;

Όταν ένας ποδοσφαιριστής χτυπά, ο φυσιοθεραπευτής πατά μια παγοκύστη: μέσα της διαλύεται νιτρικό αμμώνιο στο νερό, μια ενδόθερμη διεργασία που «ρουφά» θερμότητα από το πόδι. Τα θερμαντικά χεριών του σκι κάνουν το αντίθετο: η εξώθερμη οξείδωση σκόνης σιδήρου ελευθερώνει θερμότητα. Εδώ μαθαίνεις να μετράς αυτή τη θερμότητα με έναν αριθμό: το $\Delta H$ .

Ενέργεια στις χημικές αντιδράσεις

Σε κάθε αντίδραση σπάνε δεσμοί στα αντιδρώντα (απαιτείται ενέργεια) και σχηματίζονται δεσμοί στα προϊόντα (ελευθερώνεται ενέργεια). Το ισοζύγιο καθορίζει τον χαρακτήρα της αντίδρασης:

Εξώθερμη: ελευθερώνει θερμότητα στο περιβάλλον — τα προϊόντα έχουν μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο
Ενδόθερμη: απορροφά θερμότητα — τα προϊόντα έχουν μεγαλύτερο ενεργειακό περιεχόμενο

Η ενθαλπία $H$ εκφράζει το ενεργειακό περιεχόμενο ενός συστήματος υπό σταθερή πίεση. Η μεταβολή ενθαλπίας ισούται με τη θερμότητα της αντίδρασης υπό σταθερή πίεση: $q_P = \Delta H = H_{\text{προϊόντων}} - H_{\text{αντιδρώντων}}$ .

Άρα: εξώθερμη $\Rightarrow \Delta H < 0$ , ενδόθερμη $\Rightarrow \Delta H > 0$ .

Σύγκρινε τις ενεργειακές στάθμες αντιδρώντων και προϊόντων: όταν η στάθμη των προϊόντων πέφτει χαμηλότερα, η διαφορά ελευθερώνεται ως θερμότητα (ΔΗ < 0, εξώθερμη) — όταν ανεβαίνει, η αντίδραση απορροφά θερμότητα (ΔΗ > 0, ενδόθερμη).

$\Delta H = H_{\text{προϊόντων}} - H_{\text{αντιδρώντων}} \qquad \text{Εξώθερμη: } \Delta H < 0, \quad \text{Ενδόθερμη: } \Delta H > 0$

Κόλπο μνήμης

ΕΞΩθερμη = η θερμότητα βγαίνει έξω, άρα το σύστημα χάνει ενέργεια → $\Delta H$ με μείον. Σκέψου το σαν λογαριασμό τράπεζας του συστήματος: ό,τι φεύγει γράφεται αρνητικό, ό,τι μπαίνει (ενδόθερμη) θετικό.

Από τι εξαρτάται το ΔΗ — πρότυπες ενθαλπίες

Η $\Delta H$ εξαρτάται από τη φύση και την ποσότητα των σωμάτων (τα mol της θερμοχημικής εξίσωσης), τη φυσική τους κατάσταση, τη θερμοκρασία και την πίεση. Σε πρότυπη κατάσταση ( $25°C$ , $1\ atm$ ) ορίζουμε:

Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού $\Delta H^0_f$ : για τον σχηματισμό $1\ mol$ ένωσης από τα στοιχεία της (για τα στοιχεία: $\Delta H^0_f = 0$ )
Πρότυπη ενθαλπία καύσης $\Delta H^0_c$ : για την πλήρη καύση $1\ mol$ ουσίας — πάντα αρνητική
Ενθαλπία εξουδετέρωσης: για ισχυρό οξύ + ισχυρή βάση είναι περίπου σταθερή ( $\approx -57{,}1\ kJ/mol$ ), γιατί η ουσιαστική αντίδραση είναι πάντα η ίδια: $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$
Ενθαλπία διάλυσης: για τη διάλυση $1\ mol$ ουσίας σε καθορισμένη ποσότητα νερού

Ήξερες ότι;

Η «θερμίδα» στις συσκευασίες τροφίμων είναι στην πραγματικότητα κιλοθερμίδα: $1\ kcal = 4{,}184\ kJ$ . Ένα γλυκό των $250\ kcal$ δίνει περίπου $1046\ kJ$ — θεωρητικά αρκετά για να ζεστάνεις $3\ L$ νερό από τους $20\ °C$ ως τους $100\ °C$ (χρειάζονται περίπου $1003\ kJ$ ).

Μέθοδος: θερμότητα από θερμοχημική εξίσωση

Γράψε (ή διάβασε) τη θερμοχημική εξίσωση με φυσικές καταστάσεις και σημείωσε σε πόσα mol κάθε σώματος αναφέρεται η $\Delta H$ .
Μετάτρεψε το δεδομένο σε mol: $n = \frac{m}{M_r}$ , $n = \frac{V}{22{,}4}$ (αέριο σε STP) ή $n = C \cdot V$ (διάλυμα).
Κάνε απλή μέθοδο των τριών: $Q = \frac{n}{\text{συντελεστής}} \cdot |\Delta H|$ .
Γράψε το αποτέλεσμα λεκτικά: «ελευθερώνονται» (εξώθερμη) ή «απορροφώνται» (ενδόθερμη) $Q\ kJ$ .

Αντίστροφα, αν δίνεται η θερμότητα που μετρήθηκε για $n$ mol, η $\Delta H$ της εξίσωσης είναι $\Delta H = \mp \frac{Q}{n} \cdot \text{συντελεστής}$ .

Άσκηση: Δίνεται η θερμοχημική εξίσωση $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l)$ , $\Delta H = -890\ kJ$ . Πόση θερμότητα ελευθερώνεται από την καύση $8\ g$ μεθανίου; ( $M_r = 16$ )

Λύση: $n_{CH_4} = \frac{8}{16} = 0{,}5\ mol$ . Η εξίσωση αναφέρεται σε $1\ mol$ $CH_4$ , άρα:

$Q = 0{,}5 \cdot 890 = 445\ kJ$

Προσοχή στη διατύπωση: «ελευθερώνονται $445\ kJ$ » — η θερμότητα $Q$ δίνεται θετική, το πρόσημο του $\Delta H$ δηλώνει απλώς τον εξώθερμο χαρακτήρα.

Άσκηση: Η πλήρης καύση $2{,}3\ g$ αιθανόλης ( $M_r = 46$ ) προς $CO_2(g)$ και $H_2O(l)$ ελευθερώνει $68{,}4\ kJ$ . Να γραφεί η θερμοχημική εξίσωση της καύσης.

Λύση: $n = \frac{2{,}3}{46} = 0{,}05\ mol$ . Για $1\ mol$ αιθανόλης:

$\frac{68{,}4}{0{,}05} = 1368\ kJ$

Η εξίσωση (ισοσταθμισμένη: $C$ : $2 = 2$ , $H$ : $6 = 6$ , $O$ : $1 + 6 = 4 + 3$ ✓):

$C_2H_5OH(l) + 3O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g) + 3H_2O(l), \quad \Delta H = -1368\ kJ$

Άρα $\Delta H^0_c(C_2H_5OH) = -1368\ kJ/mol$ — αρνητική, όπως κάθε ενθαλπία καύσης.

Θέμα τύπου Πανελλαδικών: Μίγμα $CH_4$ και $C_3H_8$ με συνολική ποσότητα $0{,}5\ mol$ καίγεται πλήρως και ελευθερώνονται $578\ kJ$ .

Δεδομένα: $\Delta H^0_c(CH_4) = -890\ kJ/mol$ , $\Delta H^0_c(C_3H_8) = -2220\ kJ/mol$ , $n_{ολ} = 0{,}5\ mol$ , $Q = 578\ kJ$ .

Ζητούμενα: (α) η σύσταση του μίγματος σε mol, (β) ο όγκος του $CO_2$ που παράγεται σε STP.

Λύση:

(α) Έστω $x\ mol$ $CH_4$ και $y\ mol$ $C_3H_8$ :

$x + y = 0{,}5 \qquad 890x + 2220y = 578$

Με $x = 0{,}5 - y$ : $445 - 890y + 2220y = 578 \Rightarrow 1330y = 133 \Rightarrow y = 0{,}1$ , οπότε $x = 0{,}4$ .

(β) Οι καύσεις: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ και $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$ ( $C$ : $3 = 3$ , $H$ : $8 = 8$ , $O$ : $10 = 6 + 4$ ✓).

$n_{CO_2} = 0{,}4 \cdot 1 + 0{,}1 \cdot 3 = 0{,}7\ mol \Rightarrow V = 0{,}7 \cdot 22{,}4 = 15{,}68\ L$

Απάντηση: (α) $0{,}4\ mol$ $CH_4$ και $0{,}1\ mol$ $C_3H_8$ , (β) $15{,}68\ L$ $CO_2$ σε STP.

Γρήγορος έλεγχος

Δίνεται: $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ , $\Delta H = -92\ kJ$ . Πόση θερμότητα ελευθερώνεται κατά τον σχηματισμό $1\ mol$ $NH_3$ ;

Γρήγορος έλεγχος

Σε μια εξώθερμη αντίδραση ισχύει:

Γρήγορος έλεγχος

Αναμειγνύουμε $100\ mL$ $HCl$ $1\ M$ με $100\ mL$ $NaOH$ $0{,}5\ M$ . Με ενθαλπία εξουδετέρωσης $-57{,}1\ kJ/mol$ , η θερμότητα που ελευθερώνεται είναι περίπου:

Γρήγορος έλεγχος

Για ποιο από τα παρακάτω σώματα η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού $\Delta H^0_f$ είναι μηδέν;

Στις θερμοχημικές εξισώσεις η φυσική κατάσταση είναι υποχρεωτική: η καύση $CH_4$ με προϊόν $H_2O(l)$ έχει διαφορετικό $\Delta H$ από ό,τι με $H_2O(g)$ — η διαφορά είναι η ενθαλπία εξαέρωσης του νερού. Μην την ξεχνάς ποτέ στα δεδομένα σου.

Πρόκληση

το καύσιμο των πυραύλων. Δίνονται $\Delta H^0_c(CH_4) = -890\ kJ/mol$ και $\Delta H^0_c(H_2) = -286\ kJ/mol$ . (α) Ποιο καύσιμο δίνει περισσότερη θερμότητα ανά γραμμάριο; (β) Πόσα γραμμάρια $H_2$ δίνουν την ίδια θερμότητα με $1\ kg$ $CH_4$ ; (γ) Πόσο $CO_2$ γλιτώνουμε έτσι; ( $A_r$ : $C = 12$ , $H = 1$ , $O = 16$ )

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) $CH_4$ : $\frac{890}{16} \approx 55{,}6\ kJ/g$ . $\quad H_2$ : $\frac{286}{2} = 143\ kJ/g$ . Το υδρογόνο δίνει περίπου 2,6 φορές περισσότερη θερμότητα ανά γραμμάριο — γι' αυτό το υγρό υδρογόνο είναι καύσιμο πυραύλων.

(β) $1000\ g$ $CH_4$ $= \frac{1000}{16} = 62{,}5\ mol$ → $Q = 62{,}5 \cdot 890 = 55625\ kJ$ . Για το $H_2$ : $n = \frac{55625}{286} \approx 194{,}5\ mol$ → $m \approx 389\ g$ .

(γ) Η καύση $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ δίνει $62{,}5\ mol$ $CO_2$ , δηλαδή $62{,}5 \cdot 44 = 2750\ g$ . Η καύση του $H_2$ δίνει μόνο νερό.

Απάντηση: (α) το $H_2$ (143 έναντι 55,6 kJ/g), (β) περίπου $389\ g$ $H_2$ , (γ) $2{,}75\ kg$ $CO_2$ λιγότερα.

Συνηθισμένα λάθη

$\Delta H$ «ανά mol ουσίας» ενώ αναφέρεται στην εξίσωση. Στην $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ , $\Delta H = -92\ kJ$ τα $92\ kJ$ αντιστοιχούν σε $2\ mol$ $NH_3$ — για $1\ mol$ είναι $46\ kJ$ .
Πρόσημο στη θερμότητα. Η θερμότητα $Q$ που «ελευθερώνεται» γράφεται θετική· το αρνητικό πρόσημο ανήκει στη $\Delta H$ .
Εξουδετέρωση με ασθενές οξύ/βάση. Η τιμή $-57{,}1\ kJ/mol$ ισχύει για ισχυρό οξύ + ισχυρή βάση. Με ασθενή ηλεκτρολύτη ελευθερώνεται λιγότερη θερμότητα, γιατί ένα μέρος καταναλώνεται στον ιοντισμό του.
Σώμα σε περίσσεια. Όταν αναμειγνύονται αντιδρώντα, η θερμότητα υπολογίζεται από εκείνο που βρίσκεται σε έλλειμμα.

Σύνοψη — τι κρατάμε

$\Delta H = H_{\text{προϊόντων}} - H_{\text{αντιδρώντων}} = q_P$ · εξώθερμη $\Delta H < 0$ , ενδόθερμη $\Delta H > 0$ .
Η $\Delta H$ είναι ανάλογη των mol της εξίσωσης και εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση, τη θερμοκρασία και την πίεση.
$\Delta H^0_f$ : $1\ mol$ ένωσης από στοιχεία ( $=0$ για στοιχεία στη σταθερότερη μορφή)· $\Delta H^0_c$ : καύση $1\ mol$ , πάντα $< 0$ .
Εξουδετέρωση ισχυρού οξέος–ισχυρής βάσης: $\approx -57{,}1\ kJ/mol$ $H_2O$ .
Υπολογισμοί: $Q = \frac{n}{\text{συντελεστής}} \cdot |\Delta H|$ , με τα mol του σώματος σε έλλειμμα.

Ενέργεια στις χημικές αντιδράσεις

Εξώθερμη: ελευθερώνει θερμότητα στο περιβάλλον — τα προϊόντα έχουν μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο

Ενδόθερμη: απορροφά θερμότητα — τα προϊόντα έχουν μεγαλύτερο ενεργειακό περιεχόμενο

Η ενθαλπία

H

εκφράζει το ενεργειακό περιεχόμενο ενός συστήματος υπό σταθερή πίεση. Η μεταβολή ενθαλπίας ισούται με τη θερμότητα της αντίδρασης υπό σταθερή πίεση:

q_P = \Delta H = H_{\text{προϊόντων}} - H_{\text{αντιδρώντων}}

Άρα: εξώθερμη

\Rightarrow \Delta H < 0

, ενδόθερμη

\Rightarrow \Delta H > 0