محاسبه جرم آب تجزیه شده با گرمای تولید آهن

سلام! سوال جالبی پرسیدی. این یک مسئله استوکیومتری حرارتی است که در آن باید از گرمای تولید شده در یک واکنش برای محاسبه جرم آب تجزیه شده در واکنش دیگر استفاده کنیم. بیا با هم حلش کنیم.

راهنمایی کوتاه: ابتدا گرمای آزاد شده در تولید آهن را محاسبه کن، سپس با استفاده از آنتالپی تجزیه آب، جرم آب تجزیه شده را بیاب.

گام‌به‌گام:

• گام ۱: شناسایی واکنش‌ها و داده‌ها
  واکنش تولید آهن از اکسید آهن (III) (احتمالاً واکنش کوره بلند):
  $2\mathrm{Fe}{O}_3\left(s\right)+3C\left(s\right)\to 4\mathrm{Fe}\left(l\right)+3{\mathrm{CO}}_2\left(g\right)$
  ΔH° برای این واکنش (تولید آهن مذاب) معمولاً حدود $-492\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ است (مقدار تقریبی برای محاسبه).
  واکنش تجزیه آب:
  $2H_{2}O\left(l\right)\to 2H_2\left(g\right)+O_2\left(g\right)$
  ΔH° برای این واکنش (تجزیه آب) معمولاً $+572\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ است (مقدار اندوترمیک).
• گام ۲: محاسبه گرمای آزاد شده از تولید ۲۲۴ گرم آهن مذاب
  جرم مولی آهن (Fe) = ۵۶ گرم بر مول.
  تعداد مول‌های آهن تولید شده = $\frac{224g}{56g/\mathrm{mol}}=4\mathrm{mol}$
  از واکنش تولید آهن: برای تولید ۴ مول آهن، گرمای آزاد شده:
  $Q=4\mathrm{mol}\times \frac{492\mathrm{kJ}}{4\mathrm{mol}\mathrm{Fe}}=492\mathrm{kJ}$
  (توجه: در واکنش بالا، ضریب آهن ۴ است، بنابراین گرمای آزاد شده برای ۴ مول آهن ۴۹۲ کیلوژول است.)
• گام ۳: استفاده از این گرما برای تجزیه آب
  واکنش تجزیه آب اندوترمیک است و برای تجزیه ۲ مول آب به ۵۷۲ کیلوژول انرژی نیاز دارد.
  بنابراین با ۴۹۲ کیلوژول انرژی، چند مول آب تجزیه می‌شود؟
  $n\left(H_{2}O\right)=492\mathrm{kJ}\times \frac{2\mathrm{mol}{H}_{2}O}{572\mathrm{kJ}}\approx 1.72\mathrm{mol}$
• گام ۴: تبدیل مول آب به جرم
  جرم مولی آب (H₂O) = ۱۸ گرم بر مول.
  جرم آب تجزیه شده = $1.72\mathrm{mol}\times 18g/\mathrm{mol}\approx 31g$

پاسخ نهایی: با گرمای حاصل از تولید ۲۲۴ گرم آهن مذاب، تقریباً ۳۱ گرم آب را می‌توان به گازهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه کرد.

مثال مشابه: اگر به جای آهن، ۱۱۲ گرم آلومینیوم تولید می‌کردیم (با ΔH خاص خودش)، چقدر آب تجزیه می‌شد؟ روش حل مشابه است: اول گرمای واکنش آلومینیوم، سپس محاسبه مول و جرم آب.

اگر می‌خواهی بیشتر یاد بگیری: می‌توانی درباره «قانون هس» و «استوکیومتری حرارتی» بیشتر مطالعه کنی. این مفاهیم به تو کمک می‌کنند انرژی واکنش‌های شیمیایی را به هم مرتبط کنی.

یادآوری ایمنی: تجزیه آب در آزمایشگاه نیاز به احتیاط دارد، زیرا مخلوط هیدروژن و اکسیژن گازی قابل انفجار است. این محاسبات تئوری هستند و انجام آزمایش فقط تحت نظارت متخصص مجاز است.