I alle kemiske reaktioner kan varme modtages fra omgivelserne eller frigives til omgivelserne. Varmeudvekslingen mellem en kemisk reaktion og dens miljø er kendt som reaktionens entalpi, eller H. Dog kan H ikke måles direkte - i stedet bruger forskere ændringen i temperatur af en reaktion over tid til at finde ændringen i entalpi over tid (skrevet som H). Med H kan en videnskabsmand afgøre, om en reaktion afgiver varme (eller er "eksoterm") eller modtager varme (eller er "endoterm"). Generelt, H = m x s x T, hvor m er massen af reaktanterne, s er produkternes specifikke varme, og T er ændringen i temperatur i reaktionen.
Trin
Metode 1 af 3: Løsning af entalpiproblemer
Trin 1. Bestem reaktionen mellem dine produkter og reaktanter
Enhver kemisk reaktion involverer to kemiske kategorier - produkter og reaktanter. Produkter er kemiske stoffer, der skyldes reaktioner, mens reaktanter er kemiske stoffer, der kombineres eller splittes for at producere produkter. Med andre ord er reaktanterne i en reaktion som ingredienserne i en madopskrift, mens produkterne er den færdige mad. For at finde H for en reaktion skal du først identificere produkterne og reaktanterne.
Sig f.eks., At vi skal finde reaktionens entalpi til dannelse af vand fra hydrogen og ilt: 2H2 (Hydrogen) + O2 (Oxygen) → 2H2O (vand). I denne ligning, H2 og O2 er reaktanten og H2O er et produkt.
Trin 2. Bestem den samlede masse af reaktanterne
Find derefter massen af dine reaktanter. Hvis du ikke kender dens masse og ikke kan veje den på en videnskabelig skala, kan du bruge dens molære masse til at finde dens faktiske masse. Molmasse er en konstant, der kan findes i det regelmæssige periodiske system (for enkelte elementer) og andre kemiske kilder (for molekyler og forbindelser). Gang bare molmassen for hver reaktant med antallet af mol for at finde massen af reaktanterne.
-
I vandeksemplet er vores reaktanter hydrogen og iltgasser, der har molmasser på 2 g og 32 g. Da vi bruger 2 mol hydrogen (at dømme efter koefficienten 2 i H2) og 1 mol ilt (at dømme efter fraværet af koefficienter i O2), kan vi beregne den samlede masse af reaktanterne som følger:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Trin 3. Find den specifikke varme i dit produkt
Find derefter den specifikke varme for det produkt, du analyserer. Hvert element eller molekyle har en specifik specifik varme: denne værdi er en konstant og findes normalt i kemilæringsressourcer (f.eks. I tabellen bagest i en kemilærebog). Der er forskellige måder at beregne specifik varme på, men for den formel, vi bruger, bruger vi enheden Joule/gram ° C.
- Bemærk, at hvis din ligning har flere produkter, skal du beregne entalpien for reaktionerne af de elementer, der bruges til at producere hvert produkt, og derefter tilføje dem for at finde den samlede entalpi for reaktionen.
- I vores eksempel er slutproduktet vand, som har en specifik varme på ca. 4,2 joule/gram ° C.
Trin 4. Find temperaturforskellen efter reaktionen
Dernæst finder vi T, temperaturændringen før og efter reaktionen. Træk den indledende temperatur for reaktionen (eller T1) fra den endelige temperatur efter reaktionen (eller T2) for at beregne den. Som i de fleste kemiske arbejder bruges Kelvin (K) temperaturen (selvom Celsius (C) vil give det samme resultat).
-
For vores eksempel, lad os sige, at reaktionens indledende temperatur er 185K, men afkøles til 95K, når reaktionen er fuldført. I dette problem beregnes T som følger:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Trin 5. Brug formlen H = m x s x T til at løse
Hvis du har m, massen af reaktanterne, s, produkternes specifikke varme og T, ændringen i temperatur i reaktionen, så er du klar til at finde reaktionens entalpi. Sæt dine værdier i formlen H = m x s x T og multiplicer for at løse. Dit svar er skrevet i energienheder, nemlig Joule (J).
-
For vores eksempelproblem er reaktionens entalpi:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Trin 6. Bestem om din reaktion modtager eller mister energi
En af de mest almindelige årsager til at beregne H for forskellige reaktioner er at afgøre, om reaktionen er eksoterm (mister energi og frigiver varme) eller endotermisk (får energi og absorberer varme). Hvis tegnet på dit endelige svar for H er positivt, er reaktionen endoterm. I mellemtiden, hvis tegnet er negativt, er reaktionen eksoterm. Jo større tallet er, desto større er den exo- eller endotermiske reaktion. Vær forsigtig med stærke eksotermiske reaktioner - de frigiver nogle gange store mængder energi, som, hvis de frigives meget hurtigt, kan forårsage en eksplosion.
I vores eksempel er det endelige svar -13608J. Da tegnet er negativt, ved vi, at vores reaktion er eksoterm. Dette giver mening - H2 og O.2 er en gas, mens H2O, produktet, er en væske. Den varme gas (i form af damp) skal frigive energi til miljøet i form af varme, for at afkøle den for at danne en væske, det vil sige reaktionen til dannelse af H2O er eksoterm.
Metode 2 af 3: Estimering af Enthalpy -størrelsen
Trin 1. Brug bindingsenergier til at estimere entalpien
Næsten alle kemiske reaktioner involverer dannelse eller brud på bindinger mellem atomer. Da energi i kemiske reaktioner ikke kan ødelægges eller skabes, hvis vi kender mængden af energi, der kræves for at danne eller bryde bindinger i en reaktion, kan vi estimere entalpiændringen for den samlede reaktion med en høj grad af nøjagtighed ved at optage disse bindinger energier.
-
For eksempel anvendte reaktionen H2 + F2 → 2HF. I denne ligning er den energi, der kræves for at nedbryde H -atomerne i H. -molekylet2 er 436 kJ/mol, mens den energi, der kræves til F2 er 158 kJ/mol. Endelig er den energi, der kræves for at danne HF fra H og F = -568 kJ/mol. Vi gange med 2, fordi produktet i ligningen er 2 HF, så det er 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Ved at tilføje dem alle får vi:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Trin 2. Brug dannelsens entalpi til at estimere entalpien
Dannelsens entalpi er et sæt værdier H, der repræsenterer entalpiændringen af en reaktion for at producere et kemisk stof. Hvis du kender den dannelsesentalpi, der kræves for at producere produkterne og reaktanterne i ligningen, kan du tilføje dem for at estimere entalpien som de bindingsenergier, der er beskrevet ovenfor.
-
F.eks. Brugte ligningen C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. I denne ligning ved vi, at dannelsens entalpi for følgende reaktion er:
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
Da vi kan opsummere disse ligninger for at få C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, fra reaktionen, vi forsøger at finde entalpien, behøver vi kun at optage entalpien i dannelsesreaktionen ovenfor for at finde entalpien af denne reaktion som følger:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Trin 3. Glem ikke at ændre tegnet, når ligningen vendes
Det er vigtigt at bemærke, at når du bruger dannelsens entalpi til at beregne entalpien for en reaktion, skal du ændre tegnet på dannelsesenthalpien, når du vender ligningen for elementernes reaktion om. Med andre ord, hvis du inverterer en eller flere af dine ligninger for dannelsen af en reaktion, så produkterne og reaktanterne annullerer hinanden, skal du ændre tegnet på entalpien for den dannelsesreaktion, du bytter.
Bemærk i eksemplet ovenfor, at den dannelsesreaktion, vi brugte til C2H5Åh på hovedet. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 vis C2H5OH er delt, ikke dannet. Da vi vendte denne ligning, så produkterne og reaktanterne annullerer hinanden, ændrede vi tegnet på dannelsesenthalpien til at give 228 kJ/mol. Faktisk er entalpien for dannelse for C2H5OH er -228 kJ/mol.
Metode 3 af 3: Iagttagelse af den entalpiske ændring i eksperimenter
Trin 1. Tag en ren beholder og fyld den med vand
Det er let at se princippet om entalpi med et simpelt eksperiment. For at sikre, at din eksperimentelle reaktion ikke er forurenet med eksterne stoffer, skal du rengøre og sterilisere de beholdere, du agter at bruge. Forskere bruger specielle forseglede beholdere kaldet kalorimetre til at måle entalpi, men du kan få gode resultater med ethvert glas eller lille reagensglas. Uanset hvilken beholder du bruger, fyld den med rent vand ved stuetemperatur. Du bør også eksperimentere i et rum med en kold temperatur.
Til dette eksperiment skal du bruge en temmelig lille beholder. Vi vil undersøge effekten af entalpiændringen af Alka-Seltzer på vand, så jo mindre vand du bruger, jo mere markant vil temperaturændringen være
Trin 2. Sæt termometeret i beholderen
Tag et termometer og sæt det i beholderen, så spidsen af termometeret er under vandet. Læs vandets temperatur - til vores formål betegnes vandets temperatur med T1, reaktionens indledende temperatur.
Lad os sige, at vi måler vandets temperatur, og resultatet er 10 grader C. I et par trin vil vi bruge disse temperaturmålinger til at bevise princippet om entalpi
Trin 3. Tilsæt en Alka-Seltzer til beholderen
Når du er klar til at starte eksperimentet, skal du tabe en Alka-Seltzer i vandet. Du vil straks bemærke, at kornet bobler og hvæser. Når perlerne opløses i vand, brydes de ned i det kemiske bikarbonat (HCO.).3-) og citronsyre (som reagerer i form af hydrogenioner, H+). Disse kemikalier reagerer for at danne vand og kuldioxidgas i ligningen 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Trin 4. Mål temperaturen, når reaktionen er fuldført
Se, hvordan reaktionen skrider frem - Alka -Seltzer -granulatet opløses langsomt. Så snart kornreaktionen slutter (eller er bremset), måles temperaturen igen. Vandet skal være koldere end før. Hvis det er varmere, kan eksperimentet blive påvirket af ydre kræfter (f.eks. Hvis rummet du er i er varmt).
For vores eksperimentelle eksempel, lad os sige, at vandets temperatur er 8 grader C, efter at kornene holder op med at brænde
Trin 5. Vurder reaktionens entalpi
I et ideelt eksperiment, når du taber et Alka-Seltzer-korn i vand, danner det vand og kuldioxidgas (gassen kan observeres som en hvæsende boble) og får temperaturen på vandet til at falde. Ud fra disse oplysninger gætter vi på, at reaktionen er endotermisk - det vil sige, at den absorberer energi fra det omgivende miljø. De opløste flydende reaktanter kræver ekstra energi for at producere et gasformigt produkt, så de absorberer energi i form af varme fra omgivelserne (i dette eksperiment, vand). Dette får vandtemperaturen til at falde.
