We wszystkich reakcjach chemicznych ciepło może być odbierane z otoczenia lub uwalniane do otoczenia. Wymiana ciepła między reakcją chemiczną a jej otoczeniem jest znana jako entalpia reakcji lub H. Jednak H nie może być mierzony bezpośrednio - zamiast tego naukowcy wykorzystują zmianę temperatury reakcji w czasie, aby znaleźć zmianę entalpii z biegiem czasu (zapisane jako h). Dzięki H naukowiec może określić, czy reakcja wydziela ciepło (lub jest „egzotermiczna”), czy odbiera ciepło (lub jest „endotermiczna”). Ogólnie, H = m x s x T, gdzie m jest masą reagentów, s jest ciepłem właściwym produktów, a T jest zmianą temperatury w reakcji.
Krok
Metoda 1 z 3: Rozwiązywanie problemów entalpii
Krok 1. Określ reakcję swoich produktów i reagentów
Każda reakcja chemiczna obejmuje dwie kategorie chemiczne - produkty i reagenty. Produkty to substancje chemiczne powstające w wyniku reakcji, natomiast reagenty to substancje chemiczne, które łączą się lub dzielą, aby wytworzyć produkty. Innymi słowy, reagenty reakcji są jak składniki receptury żywności, podczas gdy produkty są gotową żywnością. Aby znaleźć H reakcji, najpierw zidentyfikuj produkty i reagenty.
Na przykład, powiedzmy, że zamierzamy znaleźć entalpię reakcji tworzenia wody z wodoru i tlenu: 2H2 (wodór) + O2 (Tlen) → 2H2O (Woda). W tym równaniu h2 oraz O2 jest reagentem i h2O jest produktem.
Krok 2. Określ całkowitą masę reagentów
Następnie znajdź masę swoich reagentów. Jeśli nie znasz jego masy i nie możesz go zważyć na skalę naukową, możesz użyć jego masy molowej, aby znaleźć jego rzeczywistą masę. Masa molowa to stała, którą można znaleźć w regularnym układzie okresowym (dla pojedynczych pierwiastków) i innych źródłach chemicznych (dla cząsteczek i związków). Wystarczy pomnożyć masę molową każdego reagenta przez liczbę moli, aby znaleźć masę reagentów.
-
W przykładzie wody naszymi reagentami są gazy wodór i tlen, które mają masy molowe 2 gi 32 g. Ponieważ używamy 2 moli wodoru (sądząc po współczynniku 2 w H2) i 1 mol tlenu (sądząc po braku współczynników w O2), możemy obliczyć całkowitą masę reagentów w następujący sposób:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Krok 3. Znajdź ciepło właściwe swojego produktu
Następnie znajdź ciepło właściwe analizowanego produktu. Każdy pierwiastek lub cząsteczka ma określone ciepło właściwe: ta wartość jest stałą i zwykle można ją znaleźć w materiałach do nauki chemii (na przykład w tabeli na końcu podręcznika do chemii). Istnieją różne sposoby obliczania ciepła właściwego, ale dla wzoru, którego używamy, używamy jednostki dżul/gram °C.
- Zauważ, że jeśli twoje równanie ma wiele produktów, będziesz musiał obliczyć entalpię dla reakcji pierwiastków użytych do wytworzenia każdego produktu, a następnie dodać je, aby znaleźć całkowitą entalpię dla reakcji.
- W naszym przykładzie produktem finalnym jest woda, która ma ciepło właściwe ok. 4,2 dżuli/gram °C.
Krok 4. Znajdź różnicę temperatur po wystąpieniu reakcji
Następnie znajdziemy T, zmianę temperatury przed i po reakcji. Aby ją obliczyć, odejmij początkową temperaturę reakcji (lub T1) od końcowej temperatury po reakcji (lub T2). Jak w większości prac chemicznych, stosowana jest temperatura Kelvina (K) (chociaż Celsjusz (C) da ten sam wynik).
-
Dla naszego przykładu załóżmy, że początkowa temperatura reakcji wynosi 185K, ale schładza się do 95K po zakończeniu reakcji. W tym zadaniu T oblicza się w następujący sposób:
T = T2 – T1 = 95K – 185K = - 90K
Krok 5. Użyj wzoru H = m x s x T, aby rozwiązać
Jeśli masz m, masę reagentów, s, ciepło właściwe produktów i T, zmianę temperatury reakcji, to jesteś gotowy do wyznaczenia entalpii reakcji. Wprowadź swoje wartości do wzoru H = m x s x T i pomnóż, aby rozwiązać. Twoja odpowiedź jest zapisana w jednostkach energii, czyli w dżulach (J).
-
Dla naszego przykładowego problemu entalpia reakcji wynosi:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13 608 J
Krok 6. Ustal, czy twoja reakcja odbiera czy traci energię
Jednym z najczęstszych powodów obliczania H dla różnych reakcji jest ustalenie, czy reakcja jest egzotermiczna (traci energię i uwalnia ciepło) czy endotermiczna (zyskuje energię i pochłania ciepło). Jeśli znak twojej ostatecznej odpowiedzi na H jest pozytywny, to reakcja jest endotermiczna. Tymczasem, jeśli znak jest ujemny, reakcja jest egzotermiczna. Im większa liczba, tym większa reakcja egzo- lub endotermiczna. Uważaj na silne reakcje egzotermiczne - czasami uwalniają duże ilości energii, która uwolniona bardzo szybko może spowodować wybuch.
W naszym przykładzie ostateczna odpowiedź to -13608J. Ponieważ znak jest ujemny, wiemy, że nasza reakcja jest egzotermiczny. To ma sens - H2 i O2 jest gazem, natomiast H2O, produkt jest płynem. Gorący gaz (w postaci pary) musi uwolnić energię do otoczenia w postaci ciepła, aby go schłodzić do postaci cieczy, czyli reakcji do postaci H2O jest egzotermiczny.
Metoda 2 z 3: Szacowanie wielkości entalpii
Krok 1. Użyj energii wiązania do oszacowania entalpii
Prawie wszystkie reakcje chemiczne obejmują tworzenie lub zrywanie wiązań między atomami. Ponieważ w reakcjach chemicznych energia nie może zostać zniszczona ani wytworzona, jeśli znamy ilość energii wymaganą do utworzenia lub zerwania wiązań w reakcji, możemy z dużą dokładnością oszacować zmianę entalpii dla całej reakcji, sumując te wiązania energie.
-
Na przykład w reakcji zastosowano H2 + F2 → 2HF. W tym równaniu energia potrzebna do rozbicia atomów H w cząsteczce H2 wynosi 436 kJ/mol, podczas gdy energia wymagana dla F2 wynosi 158 kJ/mol. Wreszcie energia wymagana do wytworzenia HF z H i F wynosi -568 kJ/mol. Mnożymy przez 2, ponieważ iloczynem w równaniu jest 2 HF, czyli 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Dodając je wszystkie razem, otrzymujemy:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Krok 2. Użyj entalpii formacji do oszacowania entalpii
Entalpia tworzenia to zestaw wartości H, który reprezentuje zmianę entalpii reakcji prowadzącej do wytworzenia substancji chemicznej. Jeśli znasz entalpię tworzenia wymaganą do wytworzenia produktów i reagentów w równaniu, możesz je dodać, aby oszacować entalpię, podobnie jak energie wiązania opisane powyżej.
-
Na przykład użyte równanie C2h5OH + 302 → 2CO2 + 3 godz2O. W tym równaniu wiemy, że entalpia tworzenia dla następującej reakcji wynosi:
C2h5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3H2 +1,5 centa2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Ponieważ możemy zsumować te równania, aby uzyskać C2h5OH + 302 → 2CO2 + 3 godz2O, z reakcji, w której próbujemy znaleźć entalpię, musimy tylko dodać entalpię reakcji tworzenia powyżej, aby znaleźć entalpię tej reakcji, w następujący sposób:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Krok 3. Nie zapomnij zmienić znaku podczas odwracania równania
Ważne jest, aby pamiętać, że kiedy używasz entalpii formacji do obliczania entalpii reakcji, musisz zmienić znak entalpii formacji za każdym razem, gdy odwracasz równanie reakcji pierwiastków. Innymi słowy, jeśli odwrócisz jedno lub więcej równań tworzenia reakcji, tak aby produkty i substraty wzajemnie się znosiły, zmień znak entalpii reakcji tworzenia, którą zamieniasz.
W powyższym przykładzie zwróć uwagę, że reakcja tworzenia, której użyliśmy dla C2h5OH do góry nogami. C2h5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 pokaż C2h5OH jest rozszczepiony, a nie utworzony. Ponieważ odwróciliśmy to równanie, aby produkty i reagenty znosiły się nawzajem, zmieniliśmy znak entalpii tworzenia na 228 kJ/mol. W rzeczywistości entalpia tworzenia dla C2h5OH wynosi -228 kJ/mol.
Metoda 3 z 3: Obserwacja zmiany entalpii w eksperymentach
Krok 1. Weź czysty pojemnik i napełnij go wodą
Za pomocą prostego eksperymentu łatwo jest zobaczyć zasadę entalpii. Aby upewnić się, że twoja reakcja eksperymentalna nie jest zanieczyszczona substancjami zewnętrznymi, wyczyść i wysterylizuj pojemniki, których zamierzasz użyć. Do pomiaru entalpii naukowcy używają specjalnych zamkniętych pojemników, zwanych kalorymetrami, ale dobre wyniki można uzyskać przy użyciu dowolnej szklanej lub małej probówki. Niezależnie od używanego pojemnika napełnij go czystą wodą o temperaturze pokojowej. Powinieneś także poeksperymentować w pomieszczeniu o niskiej temperaturze.
Do tego eksperymentu będziesz potrzebować dość małego pojemnika. Zbadamy wpływ zmiany entalpii Alka-Seltzer na wodę, więc im mniej wody zużyjesz, tym wyraźniejsza będzie zmiana temperatury
Krok 2. Włóż termometr do pojemnika
Weź termometr i umieść go w pojemniku tak, aby końcówka termometru znalazła się pod wodą. Odczytaj temperaturę wody - dla naszych celów temperaturę wody oznaczamy jako T1, czyli temperaturę początkową reakcji.
Powiedzmy, że mierzymy temperaturę wody, a wynik wynosi 10 stopni C. W kilku krokach użyjemy tych odczytów temperatury, aby udowodnić zasadę entalpii
Krok 3. Dodaj jeden Alka-Seltzer do pojemnika
Kiedy będziesz gotowy do rozpoczęcia eksperymentu, wrzuć Alka-Seltzer do wody. Od razu zauważysz, że ziarno bulgocze i syczy. Kiedy kulki rozpuszczą się w wodzie, rozpadają się na wodorowęglan chemiczny (HCO.).3-) i kwas cytrynowy (który reaguje w postaci jonów wodorowych, H+). Te chemikalia reagują tworząc wodę i dwutlenek węgla w równaniu 3HCO3− + 3 godz+ → 3H2O + 3 CO2.
Krok 4. Zmierz temperaturę po zakończeniu reakcji
Obserwuj, jak przebiega reakcja – granulki Alka-Seltzer powoli się rozpuszczają. Jak tylko reakcja ziarna zakończy się (lub zwolni), ponownie zmierz temperaturę. Woda powinna być zimniejsza niż wcześniej. Jeśli jest cieplej, na eksperyment mogą mieć wpływ siły zewnętrzne (na przykład, jeśli pomieszczenie, w którym się znajdujesz, jest ciepłe).
W naszym przykładzie eksperymentalnym załóżmy, że temperatura wody wynosi 8 stopni C po tym, jak ziarna przestają musować
Krok 5. Oszacuj entalpię reakcji
W idealnym eksperymencie, gdy wrzucisz ziarno Alka-Seltzer do wody, tworzy ono wodę i dwutlenek węgla (gaz można zaobserwować jako syczący bąbel) i powoduje spadek temperatury wody. Z tych informacji domyślamy się, że reakcja jest endotermiczna - to znaczy pochłania energię z otaczającego środowiska. Rozpuszczone reagenty ciekłe wymagają dodatkowej energii do wytworzenia produktu gazowego, więc pochłaniają energię w postaci ciepła z otoczenia (w tym doświadczeniu woda). Powoduje to spadek temperatury wody.
