I alle kjemiske reaksjoner kan varme mottas fra omgivelsene eller slippes ut i omgivelsene. Varmeutvekslingen mellom en kjemisk reaksjon og miljøet er kjent som reaksjonens entalpi, eller H. Imidlertid kan H ikke måles direkte - i stedet bruker forskere endringen i temperatur for en reaksjon over tid for å finne endringen i entalpi over tid (skrevet som H). Med H kan en forsker avgjøre om en reaksjon avgir varme (eller er "eksoterm") eller mottar varme (eller er "endotermisk"). Generelt, H = m x s x T, hvor m er massen av reaktantene, s er den spesifikke varmen til produktene, og T er endringen i temperaturen i reaksjonen.
Steg
Metode 1 av 3: Løse entalpiproblemer
Trinn 1. Bestem reaksjonen til produktene og reaktantene dine
Enhver kjemisk reaksjon involverer to kjemiske kategorier - produkter og reaktanter. Produkter er kjemiske stoffer som skyldes reaksjoner, mens reaktanter er kjemiske stoffer som kombineres eller deles for å produsere produkter. Med andre ord er reaktantene i en reaksjon som ingrediensene i en matoppskrift, mens produktene er den ferdige maten. For å finne H for en reaksjon, identifiser først produktene og reaktantene.
For eksempel, si at vi skal finne entalpien til reaksjonen for dannelse av vann fra hydrogen og oksygen: 2H2 (Hydrogen) + O2 (Oksygen) → 2H2O (vann). I denne ligningen, H2 og O2 er reaktanten og H2O er et produkt.
Trinn 2. Bestem den totale massen av reaktantene
Deretter finner du massen av reaktantene dine. Hvis du ikke kjenner massen og ikke kan veie den på en vitenskapelig skala, kan du bruke molarmassen til å finne dens faktiske masse. Molar masse er en konstant som finnes i det periodiske system (for enkeltelementer) og andre kjemiske kilder (for molekyler og forbindelser). Bare multipliser molmassen til hver reaktant med antall mol for å finne massen av reaktantene.
-
I vanneksemplet er våre reaktanter hydrogen og oksygengasser, som har molmasser på 2 g og 32 g. Siden vi bruker 2 mol hydrogen (å dømme etter koeffisienten 2 i H2) og 1 mol oksygen (å dømme etter fraværet av koeffisienter i O2), kan vi beregne den totale massen av reaktantene som følger:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Trinn 3. Finn den spesifikke varmen til produktet ditt
Deretter finner du den spesifikke varmen til produktet du analyserer. Hvert element eller molekyl har en spesifikk spesifikk varme: denne verdien er en konstant og finnes vanligvis i læringsressurser for kjemi (for eksempel i tabellen på baksiden av en kjemi lærebok). Det er forskjellige måter å beregne spesifikk varme, men for formelen vi bruker, bruker vi enheten Joule/gram ° C.
- Vær oppmerksom på at hvis ligningen din har flere produkter, må du beregne entalpien for reaksjonene til elementene som ble brukt for å produsere hvert produkt, og deretter legge dem til for å finne den totale entalpien for reaksjonen.
- I vårt eksempel er sluttproduktet vann, som har en spesifikk varme på ca. 4,2 joule/gram ° C.
Trinn 4. Finn temperaturforskjellen etter at reaksjonen har funnet sted
Deretter finner vi T, temperaturendringen før og etter reaksjonen. Trekk fra starttemperaturen for reaksjonen (eller T1) fra sluttemperaturen etter reaksjonen (eller T2) for å beregne den. Som i de fleste kjemiske arbeider brukes Kelvin (K) temperaturen (selv om Celsius (C) vil gi det samme resultatet).
-
For vårt eksempel, la oss si at initialtemperaturen for reaksjonen er 185K, men avkjøles til 95K når reaksjonen er fullført. I dette problemet beregnes T som følger:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Trinn 5. Bruk formelen H = m x s x T for å løse
Hvis du har m, massen av reaktantene, s, produktets spesifikke varme og T, endringen i temperatur i reaksjonen, så er du klar til å finne reaksjonens entalpi. Koble verdiene dine til formelen H = m x s x T og multipliser for å løse. Svaret ditt er skrevet i energienheter, nemlig Joules (J).
-
For vårt eksempelproblem er entalpien til reaksjonen:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Trinn 6. Bestem om reaksjonen din mottar eller mister energi
En av de vanligste årsakene til å beregne H for ulike reaksjoner er å avgjøre om reaksjonen er eksoterm (mister energi og frigjør varme) eller endotermisk (får energi og absorberer varme). Hvis tegnet på ditt endelige svar for H er positivt, er reaksjonen endoterm. I mellomtiden, hvis tegnet er negativt, er reaksjonen eksoterm. Jo større tall, desto større ekso- eller endoterm reaksjon. Vær forsiktig med sterke eksotermiske reaksjoner - de frigjør noen ganger store mengder energi, som hvis de frigjøres veldig raskt, kan forårsake en eksplosjon.
I vårt eksempel er det endelige svaret -13608J. Siden tegnet er negativt, vet vi at vår reaksjon er eksoterm. Dette gir mening - H2 og O.2 er en gass, mens H2O, produktet, er en væske. Den varme gassen (i form av damp) må frigjøre energi til miljøet i form av varme, for å kjøle den ned for å danne en væske, det vil si reaksjonen for å danne H2O er eksoterm.
Metode 2 av 3: Estimering av Enthalpy -størrelsen
Trinn 1. Bruk bindingsenergier til å estimere entalpien
Nesten alle kjemiske reaksjoner involverer dannelse eller brudd på bindinger mellom atomer. Siden energi ikke kan ødelegges eller skapes i kjemiske reaksjoner, hvis vi kjenner mengden energi som kreves for å danne eller bryte bindinger i en reaksjon, kan vi estimere entalpiendringen for den totale reaksjonen med en høy grad av nøyaktighet ved å legge opp disse bindinger energier.
-
For eksempel brukte reaksjonen H2 + F2 → 2HF. I denne ligningen er energien som kreves for å bryte ned H -atomene i H. -molekylet2 er 436 kJ/mol, mens energien som kreves for F2 er 158 kJ/mol. Til slutt er energien som kreves for å danne HF fra H og F = -568 kJ/mol. Vi multipliserer med 2 fordi produktet i ligningen er 2 HF, så det er 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Når vi legger dem sammen, får vi:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Trinn 2. Bruk formasjonsentalpien til å estimere entalpien
Entalpien for dannelse er et sett med verdier H som representerer endalpiendringen av en reaksjon for å produsere et kjemisk stoff. Hvis du kjenner formasjonsentalpien som kreves for å produsere produktene og reaktantene i ligningen, kan du legge dem til for å estimere entalpien som bindingsenergiene beskrevet ovenfor.
-
For eksempel brukte ligningen C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. I denne ligningen vet vi at dannelsens entalpi for følgende reaksjon 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
Siden vi kan summere disse ligningene for å få C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, fra reaksjonen vi prøver å finne entalpien, trenger vi bare å legge opp entalpien til formasjonsreaksjonen ovenfor for å finne entalpien til denne reaksjonen, som følger:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Trinn 3. Ikke glem å endre tegnet når du snur ligningen
Det er viktig å merke seg at når du bruker formasjonsenthalpien til å beregne entalpien til en reaksjon, må du endre tegnet på formasjonsentalpien når du reverserer ligningen for elementenes reaksjon. Med andre ord, hvis du inverterer en eller flere av likningene dine for dannelse av en reaksjon slik at produktene og reaktantene avbryter hverandre, endrer du tegnet på entalpien til formasjonsreaksjonen du bytter.
I eksemplet ovenfor, legg merke til at formasjonsreaksjonen vi brukte for C2H5OH opp ned. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 vis C2H5OH er delt, ikke dannet. Siden vi snudde denne ligningen slik at produktene og reaktantene avbryter hverandre, endret vi tegnet på dannelsesentalpien for å gi 228 kJ/mol. Faktisk dannelsesentalpien for C2H5OH er -228 kJ/mol.
Metode 3 av 3: Observere entalpiendringen i eksperimenter
Trinn 1. Ta en ren beholder og fyll den med vann
Det er lett å se prinsippet om entalpi med et enkelt eksperiment. For å sikre at din eksperimentelle reaksjon ikke er forurenset med eksterne stoffer, rengjør og steriliser beholderne du har tenkt å bruke. Forskere bruker spesielle forseglede beholdere kalt kalorimetre for å måle entalpi, men du kan få gode resultater med et glass eller et lite reagensrør. Uansett hvilken beholder du bruker, fyll den med rent vann ved romtemperatur. Du bør også eksperimentere i et rom med kald temperatur.
For dette eksperimentet trenger du en ganske liten beholder. Vi vil undersøke effekten av entalpiendringen av Alka-Seltzer på vann, så jo mindre vann du bruker, jo mer uttalt blir temperaturendringen
Trinn 2. Sett termometeret i beholderen
Ta et termometer og sett det i beholderen slik at spissen av termometeret er under vannet. Les temperaturen på vannet - for våre formål er temperaturen på vannet betegnet med T1, den opprinnelige temperaturen i reaksjonen.
La oss si at vi måler temperaturen på vann og resultatet er 10 grader C. I noen få trinn vil vi bruke disse temperaturavlesningene for å bevise prinsippet om entalpi
Trinn 3. Tilsett en Alka-Seltzer i beholderen
Når du er klar til å starte eksperimentet, slipper du en Alka-Seltzer i vannet. Du vil umiddelbart se kornet bobler og suser. Når perlene oppløses i vann, brytes de ned i det kjemiske bikarbonatet (HCO.).3-) og sitronsyre (som reagerer i form av hydrogenioner, H+). Disse kjemikaliene reagerer for å danne vann og karbondioksidgass i ligningen 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Trinn 4. Mål temperaturen når reaksjonen er fullført
Se når reaksjonen fortsetter - Alka -Seltzer -granulatene vil sakte oppløses. Så snart kornreaksjonen slutter (eller har bremset seg), måler du temperaturen igjen. Vannet skal være kaldere enn før. Hvis det er varmere, kan eksperimentet påvirkes av eksterne krefter (for eksempel hvis rommet du er i er varmt).
For vårt eksperimentelle eksempel, la oss si at temperaturen på vannet er 8 grader C etter at kornene slutter å fuse
Trinn 5. Anslå entalpi av reaksjonen
I et ideelt eksperiment, når du slipper et Alka-Seltzer-korn i vann, danner det vann og karbondioksidgass (gassen kan observeres som en hvesende boble) og får temperaturen på vannet til å falle. Ut fra denne informasjonen antar vi at reaksjonen er endoterm - det vil si at den absorberer energi fra omgivelsene. De oppløste flytende reaktantene krever ekstra energi for å produsere et gassformet produkt, så de absorberer energi i form av varme fra omgivelsene (i dette eksperimentet, vann). Dette fører til at vanntemperaturen synker.
