Pri všetkých chemických reakciách môže byť teplo prijímané z okolia alebo uvoľňované do okolia. Výmena tepla medzi chemickou reakciou a jej prostredím je známa ako entalpia reakcie alebo H. H však nemožno merať priamo - namiesto toho vedci používajú zmenu teploty reakcie v priebehu času na nájdenie zmeny entalpie v priebehu času (napísané ako H). Pomocou H môže vedec určiť, či reakcia vydáva teplo (alebo je „exotermická“) alebo prijíma teplo (alebo je „endotermická“). Všeobecne, H = m x s x Tkde m je hmotnosť reaktantov, s je špecifické teplo produktov a T je zmena teploty v reakcii.
Krok
Metóda 1 z 3: Riešenie problémov s entalpiou
Krok 1. Určte reakciu svojich produktov a reaktantov
Akákoľvek chemická reakcia zahŕňa dve chemické kategórie - produkty a reaktanty. Produkty sú chemické látky, ktoré sú výsledkom reakcií, zatiaľ čo reaktanty sú chemické látky, ktoré sa spájajú alebo štiepia a vytvárajú produkty. Inými slovami, reaktanty reakcie sú ako zložky potravinového receptu, zatiaľ čo produkty sú hotové potraviny. Ak chcete nájsť H reakcie, najskôr identifikujte produkty a reaktanty.
Povedzme napríklad, že nájdeme entalpiu reakcie na tvorbu vody z vodíka a kyslíka: 2H2 (Vodík) + O2 (Kyslík) → 2H2O (voda). V tejto rovnici H2 a O2 je reaktant a H2O je výrobok.
Krok 2. Určte celkovú hmotnosť reaktantov
Ďalej nájdite hmotnosť svojich reaktantov. Ak nepoznáte jeho hmotnosť a nemôžete ho vážiť vo vedeckom meradle, môžete použiť jeho molárnu hmotnosť na nájdenie skutočnej hmotnosti. Molárna hmotnosť je konštanta, ktorú možno nájsť v pravidelnej periodickej tabuľke (pre jednotlivé prvky) a iných chemických zdrojoch (pre molekuly a zlúčeniny). Stačí vynásobiť molárnu hmotnosť každého reaktantu počtom mólov, aby ste zistili hmotnosť reaktantov.
-
V prípade vody sú našimi reaktantmi vodík a kyslík, ktoré majú molekulovú hmotnosť 2 g a 32 g. Pretože používame 2 móly vodíka (súdiac podľa koeficientu 2 v H2) a 1 mol kyslíka (súdiac podľa absencie koeficientov v O2), môžeme vypočítať celkovú hmotnosť reaktantov nasledovne:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Krok 3. Nájdite špecifické teplo vášho produktu
Ďalej nájdite špecifické teplo produktu, ktorý analyzujete. Každý prvok alebo molekula má špecifické špecifické teplo: táto hodnota je konštanta a zvyčajne sa nachádza v učebných zdrojoch chémie (napríklad v tabuľke na konci učebnice chémie). Existujú rôzne spôsoby výpočtu špecifického tepla, ale pre vzorec, ktorý používame, používame jednotku Joule/gram ° C.
- Upozorňujeme, že ak má vaša rovnica viacero súčinov, budete musieť vypočítať entalpiu pre reakcie prvkov použitých na výrobu každého produktu a potom ich sčítať, aby ste našli celkovú entalpiu reakcie.
- V našom prípade je konečným produktom voda, ktorá má merné teplo cca. 4,2 joulov/gram ° C.
Krok 4. Nájdite rozdiel v teplote potom, ako dôjde k reakcii
Ďalej nájdeme T, zmenu teploty pred a po reakcii. Odpočítajte počiatočnú teplotu reakcie (alebo T1) od konečnej teploty po reakcii (alebo T2) a vypočítajte ju. Ako pri väčšine chemických prác sa používa teplota Kelvin (K) (aj keď Celzia (C) poskytne rovnaký výsledok).
-
V našom prípade povedzme, že počiatočná teplota reakcie je 185 K, ale po dokončení reakcie sa ochladí na 95 K. V tomto probléme sa T vypočíta nasledovne:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 tis
Krok 5. Na vyriešenie použite vzorec H = m x s x T
Ak máte m, hmotnosť reaktantov, s, špecifické teplo produktov a T, zmenu teploty reakcie, potom ste pripravení nájsť entalpiu reakcie. Pripojte svoje hodnoty do vzorca H = m x s x T a vynásobením vyriešte. Vaša odpoveď je napísaná v energetických jednotkách, konkrétne v jouloch (J).
-
Pre náš príklad problému je entalpia reakcie:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13,608 J
Krok 6. Zistite, či vaša reakcia prijíma alebo stráca energiu
Jedným z najčastejších dôvodov výpočtu H pre rôzne reakcie je určiť, či je reakcia exotermická (stráca energiu a uvoľňuje teplo) alebo endotermická (získava energiu a absorbuje teplo). Ak je znamienko vašej konečnej odpovede na H kladné, potom je reakcia endotermická. Medzitým, ak je znamienko záporné, reakcia je exotermická. Čím je číslo väčšie, tým väčšia je exo- alebo endotermická reakcia. Buďte opatrní pri silných exotermických reakciách - niekedy uvoľňujú veľké množstvo energie, ktorá, ak sa uvoľní veľmi rýchlo, môže spôsobiť výbuch.
V našom prípade je konečná odpoveď -13608J. Pretože je znamienko záporné, vieme, že naša reakcia je exotermický. To dáva zmysel - H.2 a O.2 je plyn, zatiaľ čo H2O, produkt, je kvapalina. Horúci plyn (vo forme pary) musí uvoľňovať energiu do prostredia vo forme tepla, aby ho ochladil na kvapalinu, to znamená reakciu na formu H2O je exotermický.
Metóda 2 z 3: Odhad veľkosti entalpie
Krok 1. Na odhad entalpie použite energie väzieb
Takmer všetky chemické reakcie zahŕňajú tvorbu alebo prerušenie väzieb medzi atómami. Pretože pri chemických reakciách nemožno energiu ničiť ani vytvárať, ak poznáme množstvo energie potrebné na vytvorenie alebo prerušenie väzieb v reakcii, môžeme sčítaním týchto väzieb s vysokou presnosťou odhadnúť zmenu entalpie pre celkovú reakciu. energie.
-
Reakcia napríklad používa H2 + F2 → 2 HF. V tejto rovnici je energia potrebná na rozklad atómov H v molekule H.2 je 436 kJ/mol, pričom energia potrebná pre F2 je 158 kJ/mol. Nakoniec energia potrebná na vytvorenie HF z H a F je = -568 kJ/mol. Násobíme 2, pretože súčin v rovnici je 2 HF, teda 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Keď ich všetky spojíme, dostaneme:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Krok 2. Na odhadnutie entalpie použite entalpiu formácie
Entalpia tvorby je súbor hodnôt H, ktorý predstavuje zmenu entalpie reakcie na výrobu chemickej látky. Ak poznáte entalpiu tvorby potrebnú na výrobu produktov a reaktantov v rovnici, môžete ich sčítať a odhadnúť entalpiu podobne ako energie väzieb popísané vyššie.
-
Napríklad použitá rovnica C.2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. V tejto rovnici vieme, že entalpia tvorby pre nasledujúcu reakciu je:
C.2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3H2 +1,5 O2 → 3 hodiny2O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Pretože tieto rovnice môžeme sčítať, aby sme získali C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2Ó, z reakcie, ktorou sa pokúšame nájsť entalpiu, stačí, aby sme entalpiu reakcie formácie sčítali vyššie, aby sme našli entalpiu tejto reakcie, a to nasledovne:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Krok 3. Pri obrátení rovnice nezabudnite zmeniť znamienko
Je dôležité si uvedomiť, že keď na výpočet entalpie reakcie použijete entalpiu formácie, musíte zmeniť znak entalpie tvorby vždy, keď obrátite rovnicu reakcie prvkov. Inými slovami, ak obrátite jednu alebo viac svojich rovníc pre vznik reakcie tak, aby sa produkty a reaktanty navzájom rušili, zmeňte znamienko entalpie reakcie pri tvorbe, ktorú vymieňate.
Vo vyššie uvedenom príklade si všimnite, že formačná reakcia, ktorú sme použili pre C2H5OH hore nohami. C.2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 ukáž C.2H5OH je rozdelený, nie je vytvorený. Pretože sme obrátili túto rovnicu tak, aby sa produkty a reaktanty navzájom rušili, zmenili sme znamienko entalpie tvorby na 228 kJ/mol. V skutočnosti entalpia tvorby pre C.2H5OH je -228 kJ/mol.
Metóda 3 z 3: Pozorovanie zmeny entalpie v experimentoch
Krok 1. Vezmite čistú nádobu a naplňte ju vodou
Jednoduchým experimentom je ľahké pochopiť princíp entalpie. Aby sa zabezpečilo, že vaša experimentálna reakcia nebude kontaminovaná vonkajšími látkami, vyčistite a sterilizujte nádoby, ktoré plánujete použiť. Vedci používajú na meranie entalpie špeciálne uzavreté nádoby nazývané kalorimetre, ale dobré výsledky môžete dosiahnuť s akýmkoľvek sklom alebo malou skúmavkou. Bez ohľadu na to, akú nádobu použijete, naplňte ju čistou vodou izbovej teploty. Tiež by ste mali experimentovať v miestnosti s nízkou teplotou.
Na tento experiment budete potrebovať pomerne malý kontajner. Preskúmame vplyv entalpickej zmeny Alka-Seltzera na vodu, takže čím menej vody použijete, tým výraznejšia bude zmena teploty
Krok 2. Vložte teplomer do nádoby
Vezmite teplomer a vložte ho do nádoby tak, aby bol hrot teplomera pod vodou. Prečítajte si teplotu vody - pre naše účely je teplota vody označená T1, počiatočnou teplotou reakcie.
Povedzme, že meriame teplotu vody a výsledkom je 10 stupňov C. V niekoľkých krokoch použijeme tieto hodnoty teploty na dokázanie princípu entalpie
Krok 3. Do nádoby pridajte jeden Alka-Seltzer
Keď ste pripravení začať experiment, pustite Alka-Seltzer do vody. Okamžite si všimnete, že zrno bublá a syčí. Keď sa guľôčky rozpustia vo vode, rozpadnú sa na chemický hydrogenuhličitan (HCO.).3-) a kyselina citrónová (ktorá reaguje vo forme vodíkových iónov, H+). Tieto chemikálie reagujú za vzniku vody a plynného oxidu uhličitého v rovnici 3HCO3− + 3H+ → 3 hodiny2O + 3CO2.
Krok 4. Po dokončení reakcie zmerajte teplotu
Sledujte, ako reakcia pokračuje - granule Alka -Seltzer sa pomaly rozpúšťajú. Hneď ako reakcia zrna skončí (alebo sa spomalila), znova zmerajte teplotu. Voda by mala byť chladnejšia ako predtým. Ak je teplejšie, experiment môže byť ovplyvnený vonkajšími silami (napríklad ak je miestnosť, v ktorej ste, teplá).
Pre náš experimentálny príklad povedzme, že teplota vody je 8 stupňov C potom, čo zrná prestanú šumieť
Krok 5. Odhadnite entalpiu reakcie
V ideálnom experimente, keď kvapnete zrno Alka-Seltzer do vody, vytvorí vodu a plynný oxid uhličitý (plyn je možné pozorovať ako syčiacu bublinu) a spôsobí pokles teploty vody. Z tejto informácie usudzujeme, že reakcia je endotermická - to znamená, že absorbuje energiu z okolitého prostredia. Rozpustené kvapalné reaktanty vyžadujú dodatočnú energiu na výrobu plynného produktu, takže absorbujú energiu vo forme tepla z okolia (v tomto experimente voda). To spôsobuje zníženie teploty vody.
