În toate reacțiile chimice, căldura poate fi primită din împrejurimi sau eliberată în împrejurimi. Schimbul de căldură între o reacție chimică și mediul său este cunoscut ca entalpia reacției sau H. Cu toate acestea, H nu poate fi măsurat direct - în schimb, oamenii de știință folosesc modificarea temperaturii unei reacții în timp pentru a găsi schimbarea entalpiei în timp (scris ca H). Cu H, un om de știință poate determina dacă o reacție degajă căldură (sau este „exotermă”) sau primește căldură (sau este „endotermă”). În general, H = m x s x T, unde m este masa reactanților, s este căldura specifică a produselor și T este modificarea temperaturii în reacție.
Etapa
Metoda 1 din 3: Rezolvarea problemelor de entalpie
Pasul 1. Determinați reacția produselor și reactanților dvs
Orice reacție chimică implică două categorii chimice - produse și reactanți. Produsele sunt substanțe chimice care rezultă din reacții, în timp ce reactanții sunt substanțe chimice care se combină sau se împart pentru a produce produse. Cu alte cuvinte, reactanții unei reacții sunt ca ingredientele unei rețete alimentare, în timp ce produsele sunt alimentele finite. Pentru a găsi H-ul unei reacții, identificați mai întâi produsele și reactanții.
De exemplu, să spunem că vom găsi entalpia reacției pentru formarea apei din hidrogen și oxigen: 2H2 (Hidrogen) + O2 (Oxigen) → 2H2O (apă). În această ecuație, H2 și O2 este reactantul și H2O este un produs.
Pasul 2. Determinați masa totală a reactanților
Apoi, găsiți masa reactanților dvs. Dacă nu îi cunoașteți masa și nu o puteți cântări pe o scară științifică, puteți folosi masa sa molară pentru a-i găsi masa reală. Masa molară este o constantă care poate fi găsită în tabelul periodic regulat (pentru elemente individuale) și în alte surse chimice (pentru molecule și compuși). Înmulțiți masa molară a fiecărui reactant cu numărul de moli pentru a găsi masa reactanților.
-
În exemplul de apă, reactanții noștri sunt hidrogen și gaze de oxigen, care au mase molare de 2 g și 32 g. Deoarece folosim 2 moli de hidrogen (judecând după coeficientul 2 din H2) și 1 mol de oxigen (judecând după absența coeficienților în O2), putem calcula masa totală a reactanților după cum urmează:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Pasul 3. Găsiți căldura specifică a produsului dvs
Apoi, găsiți căldura specifică a produsului pe care îl analizați. Fiecare element sau moleculă are o căldură specifică specifică: această valoare este o constantă și se găsește de obicei în resursele de învățare a chimiei (de exemplu, în tabelul din spatele unui manual de chimie). Există diferite moduri de a calcula căldura specifică, dar pentru formula pe care o folosim, folosim unitatea Joule / gram ° C.
- Rețineți că, dacă ecuația dvs. are mai multe produse, va trebui să calculați entalpia pentru reacțiile elementelor utilizate pentru a produce fiecare produs, apoi să le adăugați pentru a găsi entalpia generală pentru reacție.
- În exemplul nostru, produsul final este apa, care are o căldură specifică de aprox. 4,2 jouli / gram ° C.
Pasul 4. Găsiți diferența de temperatură după reacția
Apoi, vom găsi T, schimbarea temperaturii înainte și după reacție. Se scade temperatura inițială a reacției (sau T1) din temperatura finală după reacție (sau T2) pentru a o calcula. Ca în majoritatea lucrărilor chimice, se utilizează temperatura Kelvin (K) (deși Celsius (C) va da același rezultat).
-
Pentru exemplul nostru, să presupunem că temperatura inițială a reacției este de 185K, dar se răcește la 95K când reacția este completă. În această problemă, T se calculează după cum urmează:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Pasul 5. Folosiți formula H = m x s x T pentru a rezolva
Dacă aveți m, masa reactanților, s, căldura specifică a produselor și T, modificarea temperaturii reacției, atunci sunteți gata să găsiți entalpia reacției. Introduceți valorile în formula H = m x s x T și multiplicați pentru a rezolva. Răspunsul dvs. este scris în unități de energie, și anume Jouli (J).
-
Pentru problema noastră de exemplu, entalpia reacției este:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Pasul 6. Determinați dacă reacția dvs. primește sau pierde energie
Unul dintre cele mai frecvente motive pentru calcularea H pentru diferite reacții este de a determina dacă reacția este exotermă (pierde energie și eliberează căldură) sau endotermă (câștigă energie și absoarbe căldura). Dacă semnul răspunsului dvs. final pentru H este pozitiv, atunci reacția este endotermă. Între timp, dacă semnul este negativ, reacția este exotermă. Cu cât numărul este mai mare, cu atât reacția exo- sau endotermică este mai mare. Aveți grijă la reacțiile exoterme puternice - uneori eliberează cantități mari de energie, care, dacă sunt eliberate foarte repede, pot provoca o explozie.
În exemplul nostru, răspunsul final este -13608J. Deoarece semnul este negativ, știm că reacția noastră este exoterm. Acest lucru are sens - H2 și O2 este un gaz, în timp ce H2O, produsul, este un lichid. Gazul fierbinte (sub formă de abur) trebuie să elibereze energie în mediu sub formă de căldură, pentru a-l răci pentru a forma un lichid, adică reacția pentru a forma H2O este exoterm.
Metoda 2 din 3: estimarea dimensiunii entalpiei
Pasul 1. Folosiți energiile de legătură pentru a estima entalpia
Aproape toate reacțiile chimice implică formarea sau ruperea legăturilor dintre atomi. Deoarece în reacțiile chimice, energia nu poate fi distrusă sau creată, dacă cunoaștem cantitatea de energie necesară pentru a forma sau rupe legăturile într-o reacție, putem estima schimbarea entalpiei pentru reacția generală cu un grad ridicat de precizie prin adăugarea acestor legături energii.
-
De exemplu, reacția a folosit H2 + F2 → 2HF. În această ecuație, energia necesară pentru descompunerea atomilor de H din molecula H. este2 este de 436 kJ / mol, în timp ce energia necesară pentru F2 este de 158 kJ / mol. În cele din urmă, energia necesară pentru a forma HF din H și F este = -568 kJ / mol. Înmulțim cu 2 deoarece produsul din ecuație este 2 HF, deci este 2 × -568 = -1136 kJ / mol. Adăugându-le pe toate împreună, obținem:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ / mol.
Pasul 2. Folosiți entalpia de formare pentru a estima entalpia
Entalpia de formare este un set de valori H care reprezintă schimbarea de entalpie a unei reacții pentru a produce o substanță chimică. Dacă cunoașteți entalpia de formare necesară pentru a produce produsele și reactanții din ecuație, le puteți adăuga pentru a estima entalpia ca energiile de legătură descrise mai sus.
-
De exemplu, ecuația utilizată C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. În această ecuație, știm că entalpia de formare pentru următoarea reacție este:
C2H5OH → 2C + 3H2 + 0,5O2 = 228 kJ / mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ / mol
3H2 +1,5 O2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 kJ / mol
Deoarece putem însuma aceste ecuații pentru a obține C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, din reacția pe care încercăm să găsim entalpia, trebuie doar să adăugăm entalpia reacției de formare de mai sus pentru a găsi entalpia acestei reacții, după cum urmează:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ / mol.
Pasul 3. Nu uitați să schimbați semnul când inversați ecuația
Este important să rețineți că atunci când utilizați entalpia de formare pentru a calcula entalpia unei reacții, trebuie să schimbați semnul entalpiei de formare ori de câte ori inversați ecuația pentru reacția elementelor. Cu alte cuvinte, dacă inversați una sau mai multe dintre ecuațiile dvs. pentru formarea unei reacții, astfel încât produsele și reactanții să se anuleze reciproc, schimbați semnul entalpiei reacției de formare pe care o schimbați.
În exemplul de mai sus, rețineți că reacția de formare pe care am folosit-o pentru C2H5OH cu susul în jos. C2H5OH → 2C + 3H2 + 0,5O2 arată C2H5OH este divizat, nu este format. Deoarece am inversat această ecuație astfel încât produsele și reactanții să se anuleze reciproc, am schimbat semnul entalpiei de formare pentru a da 228 kJ / mol. De fapt, entalpia de formare pentru C2H5OH este -228 kJ / mol.
Metoda 3 din 3: Observarea schimbării entalpiei în experimente
Pasul 1. Luați un recipient curat și umpleți-l cu apă
Este ușor de văzut principiul entalpiei cu un experiment simplu. Pentru a vă asigura că reacția dvs. experimentală nu este contaminată cu substanțe externe, curățați și sterilizați recipientele pe care intenționați să le utilizați. Oamenii de știință folosesc recipiente sigilate speciale numite calorimetre pentru a măsura entalpia, dar puteți obține rezultate bune cu orice sticlă sau eprubetă mică. Indiferent de recipientul pe care îl utilizați, umpleți-l cu apă curată, la temperatura camerei. De asemenea, ar trebui să experimentați într-o cameră cu temperatură rece.
Pentru acest experiment, veți avea nevoie de un container destul de mic. Vom examina efectul modificării entalpiei Alka-Seltzer asupra apei, astfel încât, cu cât utilizați mai puțină apă, cu atât va fi mai pronunțată schimbarea temperaturii
Pasul 2. Introduceți termometrul în recipient
Luați un termometru și puneți-l în recipient, astfel încât vârful termometrului să fie sub apă. Citiți temperatura apei - pentru scopurile noastre, temperatura apei este notată cu T1, temperatura inițială a reacției.
Să presupunem că măsurăm temperatura apei și rezultatul este de 10 grade C. În câțiva pași, vom folosi aceste citiri ale temperaturii pentru a demonstra principiul entalpiei
Pasul 3. Adăugați un Alka-Seltzer în container
Când sunteți gata să începeți experimentul, aruncați un Alka-Seltzer în apă. Veți observa imediat că bobul clocotește și șuieră. Când mărgelele se dizolvă în apă, acestea se descompun în bicarbonat chimic (HCO.).3-) și acid citric (care reacționează sub formă de ioni de hidrogen, H+). Aceste substanțe chimice reacționează pentru a forma apă și dioxid de carbon gaz în ecuația 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Pasul 4. Măsurați temperatura când reacția este finalizată
Urmăriți cum se desfășoară reacția - granulele Alka-Seltzer se vor dizolva încet. De îndată ce reacția bobului se termină (sau a încetinit), măsurați din nou temperatura. Apa ar trebui să fie mai rece decât înainte. Dacă este mai cald, experimentul poate fi afectat de forțe exterioare (de exemplu, dacă camera în care vă aflați este caldă).
Pentru exemplul nostru experimental, să presupunem că temperatura apei este de 8 grade C după ce boabele încetează să se dezlipească
Pasul 5. Estimați entalpia reacției
Într-un experiment ideal, atunci când aruncați un bob Alka-Seltzer în apă, acesta formează apă și dioxid de carbon gazos (gazul poate fi observat ca o bulă șuierătoare) și determină scăderea temperaturii apei. Din aceste informații, presupunem că reacția este endotermă - adică absoarbe energia din mediul înconjurător. Reactanții lichizi dizolvați necesită energie suplimentară pentru a produce un produs gazos, deci absorb energie sub formă de căldură din împrejurimi (în acest experiment, apă). Acest lucru determină scăderea temperaturii apei.
