Pri vseh kemijskih reakcijah lahko toploto prejemamo iz okolice ali sproščamo v okolico. Izmenjava toplote med kemično reakcijo in njenim okoljem je znana kot entalpija reakcije ali H. Vendar pa H ni mogoče neposredno izmeriti - namesto tega znanstveniki uporabljajo spremembo temperature reakcije skozi čas, da ugotovijo spremembo entalpije čez čas (napisano kot H). S H lahko znanstvenik ugotovi, ali reakcija oddaja toploto (ali je "eksotermna") ali prejema toploto (ali je "endotermna"). Na splošno, V = m x s x T, kjer je m masa reaktantov, s specifična toplota produktov, T pa sprememba temperature v reakciji.
Korak
Metoda 1 od 3: Reševanje težav z entalpijo
Korak 1. Določite reakcijo vaših produktov in reaktantov
Vsaka kemijska reakcija vključuje dve kemijski kategoriji - produkte in reaktante. Izdelki so kemične snovi, ki nastanejo kot posledica reakcij, reaktanti pa so kemične snovi, ki se združijo ali razcepijo, da proizvedejo izdelke. Z drugimi besedami, reaktanti reakcije so kot sestavine recepta za hrano, proizvodi pa so končna hrana. Če želite najti H reakcije, najprej identificirajte produkte in reaktante.
Recimo, da bomo našli entalpijo reakcije za nastanek vode iz vodika in kisika: 2H2 (Vodik) + O2 (Kisik) → 2H2O (Voda). V tej enačbi je H2 in O2 je reaktant in H2O je izdelek.
Korak 2. Določite skupno maso reaktantov
Nato poiščite maso svojih reaktantov. Če ne poznate njegove mase in je ne morete tehtati na znanstveni lestvici, lahko z njeno molarno maso ugotovite njeno dejansko maso. Molska masa je konstanta, ki jo lahko najdemo v redni periodni tabeli (za posamezne elemente) in drugih kemičnih virih (za molekule in spojine). Molarno maso vsakega reaktanta samo pomnožite s številom molov, da ugotovite maso reaktantov.
-
V primeru vode so naši reaktanti vodikovi in kisikovi plini z molsko maso 2 g in 32 g. Ker uporabljamo 2 mola vodika (sodeč po koeficientu 2 v H)2) in 1 mol kisika (sodeč po odsotnosti koeficientov v O2), lahko izračunamo skupno maso reaktantov na naslednji način:
2 × (2 g) + 1 × (32 g) = 4 g + 32 g = 36 g
Korak 3. Poiščite specifično toploto vašega izdelka
Nato poiščite specifično toploto izdelka, ki ga analizirate. Vsak element ali molekula ima posebno toploto: ta vrednost je konstanta in jo običajno najdemo v učnih virih kemije (na primer v tabeli na zadnji strani učbenika o kemiji). Obstajajo različni načini za izračun specifične toplote, vendar za formulo, ki jo uporabljamo, uporabljamo enoto Joule/gram ° C.
- Upoštevajte, da če imate v enačbi več produktov, morate izračunati entalpijo reakcij elementov, uporabljenih za izdelavo vsakega izdelka, nato pa jih sešteti, da poiščete celotno entalpijo reakcije.
- V našem primeru je končni produkt voda, ki ima specifično toploto pribl. 4,2 joulov/gram ° C.
Korak 4. Poiščite temperaturno razliko po reakciji
Nato bomo našli T, spremembo temperature pred in po reakciji. Za izračun izračunajte začetno temperaturo reakcije (ali T1) od končne temperature (ali T2). Kot pri večini kemičnih del se uporablja temperatura Kelvina (K) (čeprav bo Celzij (C) dal enak rezultat).
-
Za naš primer recimo, da je začetna temperatura reakcije 185K, vendar se ohladi na 95K, ko je reakcija končana. V tem problemu se T izračuna na naslednji način:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 tisoč
Korak 5. Za rešitev uporabite formulo H = m x s x T
Če imate m, maso reaktantov, s, specifično toploto produktov in T, spremembo temperature reakcije, ste pripravljeni najti entalpijo reakcije. Vključite svoje vrednosti v formulo H = m x s x T in pomnožite, da rešite. Vaš odgovor je zapisan v energijskih enotah, in sicer v džulih (J).
-
Za naš primer problema je entalpija reakcije:
H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Korak 6. Ugotovite, ali vaša reakcija prejema ali izgublja energijo
Eden najpogostejših razlogov za izračun H za različne reakcije je ugotoviti, ali je reakcija eksotermna (izgublja energijo in sprošča toploto) ali endotermna (pridobiva energijo in absorbira toploto). Če je znak vašega končnega odgovora za H pozitiven, potem je reakcija endotermna. Medtem, če je znak negativen, je reakcija eksotermna. Večje kot je število, večja je ekso- ali endotermna reakcija. Bodite previdni pri močnih eksotermnih reakcijah - včasih sproščajo velike količine energije, ki lahko, če se sprosti zelo hitro, povzroči eksplozijo.
V našem primeru je končni odgovor -13608J. Ker je znak negativen, vemo, da je naša reakcija eksotermno. To je smiselno - H2 in O.2 je plin, medtem ko je H2O, izdelek, je tekočina. Vroči plin (v obliki pare) mora sproščati energijo v okolje v obliki toplote, da se ohladi, da nastane tekočina, to je reakcija v obliko H2O je eksotermno.
Metoda 2 od 3: Ocena velikosti entalpije
Korak 1. Z energijo vezi ocenite entalpijo
Skoraj vse kemijske reakcije vključujejo nastanek ali prekinitev vezi med atomi. Ker pri kemičnih reakcijah energije ni mogoče uničiti ali ustvariti, če poznamo količino energije, potrebno za tvorbo ali prekinitev vezi v reakciji, lahko z visoko stopnjo natančnosti ocenimo spremembo entalpije za celotno reakcijo z visoko stopnjo natančnosti energije.
-
Na primer, reakcija je uporabila H2 + F.2 → 2HF. V tej enačbi je energija, potrebna za razgradnjo atomov H v molekuli H.2 je 436 kJ/mol, medtem ko je energija, potrebna za F2 je 158 kJ/mol. Končno je energija, potrebna za tvorbo HF iz H in F, = -568 kJ/mol. Pomnožimo z 2, ker je produkt v enačbi 2 HF, torej je to 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Če vse skupaj seštejemo, dobimo:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Korak 2. Z entalpijo tvorbe ocenite entalpijo
Entalpija tvorbe je niz vrednosti H, ki predstavlja spremembo entalpije reakcije, da nastane kemična snov. Če poznate entalpijo tvorbe, ki je potrebna za proizvodnjo produktov in reaktantov v enačbi, jih lahko seštejete, da ocenite entalpijo, kot je zgoraj opisana energija vezi.
-
Na primer, enačba uporablja C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. V tej enačbi vemo, da je entalpija tvorbe za naslednjo reakcijo:
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
Ker lahko te enačbe seštejemo, da dobimo C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, iz reakcije, ki jo skušamo najti entalpijo, moramo le sešteti entalpijo reakcije tvorbe zgoraj, da najdemo entalpijo te reakcije, kot sledi:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Korak 3. Pri obračanju enačbe ne pozabite spremeniti znaka
Pomembno je omeniti, da morate pri entalpiji tvorbe izračunati entalpijo reakcije, ko spremenite enačbo za reakcijo elementov, morate spremeniti znak entalpije tvorbe. Z drugimi besedami, če obrnete eno ali več enačb za nastanek reakcije, tako da se produkti in reaktanti medsebojno izločijo, spremenite znak entalpije tvorbene reakcije, ki jo menjate.
V zgornjem primeru upoštevajte, da je reakcija tvorbe, ki smo jo uporabili za C2H5OH na glavo. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 oddaja C2H5OH je razcepljen, ne tvorjen. Ker smo to enačbo obrnili, tako da se produkti in reaktanti medsebojno izničujejo, smo spremenili znak entalpije tvorbe na 228 kJ/mol. Dejansko je entalpija tvorbe za C2H5OH je -228 kJ/mol.
Metoda 3 od 3: Opazovanje spremembe entalpije v poskusih
Korak 1. Vzemite čisto posodo in jo napolnite z vodo
Načelo entalpije je enostavno videti s preprostim poskusom. Za zagotovitev, da vaša poskusna reakcija ni kontaminirana z zunanjimi snovmi, očistite in sterilizirajte posode, ki jih nameravate uporabiti. Znanstveniki za merjenje entalpije uporabljajo posebne zaprte posode, imenovane kalorimetre, vendar lahko dobite dobre rezultate s katerim koli steklom ali majhno epruveto. Ne glede na posodo, ki jo uporabljate, jo napolnite s čisto vodo pri sobni temperaturi. Poskusite tudi v sobi s hladno temperaturo.
Za ta poskus boste potrebovali precej majhno posodo. Preučili bomo učinek spremembe entalpije Alka-Seltzer na vodo, zato manj vode, ki jo porabite, bolj izrazita bo sprememba temperature
Korak 2. Vstavite termometer v posodo
Vzemite termometer in ga postavite v posodo, tako da je konica termometra pod vodo. Preberite temperaturo vode - za naše namene je temperatura vode označena s T1, začetno temperaturo reakcije.
Recimo, da merimo temperaturo vode in rezultat je 10 stopinj C. V nekaj korakih bomo te odčitke temperature uporabili za dokazovanje načela entalpije
Korak 3. Dodajte en Alka-Seltzer v posodo
Ko ste pripravljeni za začetek poskusa, spustite Alka-Seltzer v vodo. Takoj boste opazili, da zrnje brbota in siči. Ko se kroglice raztopijo v vodi, se razgradijo v kemikalijo bikarbonat (HCO.).3-) in citronska kislina (ki reagira v obliki vodikovih ionov, H+). Te kemikalije reagirajo in tvorijo vodo in plin ogljikov dioksid v enačbi 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Korak 4. Izmerite temperaturo, ko je reakcija končana
Opazujte, kako se reakcija nadaljuje - zrnca Alka -Seltzer se bodo počasi raztopila. Takoj, ko se reakcija zrn konča (ali upočasni), ponovno izmerite temperaturo. Voda mora biti hladnejša kot prej. Če je topleje, lahko na poskus vplivajo zunanje sile (na primer, če je soba, v kateri ste, topla).
Za naš poskusni primer recimo, da je temperatura vode 8 stopinj C po tem, ko se zrna nehajo penati
Korak 5. Ocenite entalpijo reakcije
V idealnem poskusu, ko zrno Alka-Seltzer spustite v vodo, nastane voda in plin ogljikov dioksid (plin lahko opazimo kot sikajoč mehurček) in povzroči znižanje temperature vode. Iz teh podatkov ugibamo, da je reakcija endotermna - to pomeni, da absorbira energijo iz okolice. Raztopljeni tekoči reaktanti potrebujejo dodatno energijo za proizvodnjo plinastega produkta, zato absorbirajo energijo v obliki toplote iz okolice (v tem poskusu voda). To povzroči znižanje temperature vode.
