U svim kemijskim reakcijama toplina se može primati iz okoline ili ispuštati u okolinu. Izmjena topline između kemijske reakcije i njenog okruženja poznata je kao entalpija reakcije, ili H. Međutim, H se ne može mjeriti izravno - umjesto toga, naučnici koriste promjenu temperature reakcije tokom vremena kako bi pronašli promjenu entalpije vremenom (napisano kao H). Pomoću H naučnik može utvrditi da li reakcija odaje toplinu (ili je "egzotermna") ili prima toplinu (ili je "endotermna"). Uglavnom, H = m x s x T, gdje je m masa reaktanata, s je specifična toplina proizvoda, a T je promjena temperature u reakciji.
Korak
Metoda 1 od 3: Rješavanje problema entalpije
Korak 1. Odredite reakciju vaših proizvoda i reaktanata
Svaka kemijska reakcija uključuje dvije kemijske kategorije - proizvode i reaktante. Proizvodi su kemijske tvari nastale reakcijama, dok su reaktanti kemijske tvari koje se kombiniraju ili razdvajaju kako bi proizvele proizvode. Drugim riječima, reaktanti reakcije su poput sastojaka recepta za hranu, dok su proizvodi gotova hrana. Da biste pronašli H reakcije, prvo identificirajte produkte i reaktante.
Na primjer, recimo da ćemo pronaći entalpiju reakcije za stvaranje vode iz vodika i kisika: 2H2 (Vodik) + O2 (Kiseonik) → 2H2O (Voda). U ovoj jednačini, H2 i O2 je reaktant i H2O je proizvod.
Korak 2. Odredite ukupnu masu reaktanata
Zatim pronađite masu vaših reaktanata. Ako ne znate njegovu masu i ne možete je izvagati na naučnoj ljestvici, možete upotrijebiti njenu molarnu masu da pronađete njenu stvarnu masu. Molarna masa je konstanta koja se može pronaći u regularnoj periodnoj tablici (za pojedinačne elemente) i drugim hemijskim izvorima (za molekule i spojeve). Samo pomnožite molarnu masu svakog reaktanta s brojem molova da pronađete masu reaktanata.
-
U primjeru vode, naši reaktanti su vodikovi i kisikovi plinovi, koji imaju molarne mase 2 g i 32 g. Budući da koristimo 2 mola vodika (sudeći prema koeficijentu 2 u H2) i 1 mol kisika (sudeći prema odsustvu koeficijenata u O2), ukupnu masu reaktanata možemo izračunati na sljedeći način:
2 × (2 g) + 1 × (32 g) = 4 g + 32 g = 36g
Korak 3. Pronađite specifičnu toplinu vašeg proizvoda
Zatim pronađite specifičnu toplinu proizvoda koji analizirate. Svaki element ili molekula ima specifičnu specifičnu toplinu: ova vrijednost je konstanta i obično se nalazi u resursima za učenje hemije (na primjer, u tablici na kraju udžbenika hemije). Postoje različiti načini za izračunavanje specifične topline, ali za formulu koju koristimo koristimo jedinicu Joule/gram ° C.
- Imajte na umu da ako vaša jednadžba ima više proizvoda, morat ćete izračunati entalpiju za reakcije elemenata koji se koriste za proizvodnju svakog proizvoda, a zatim ih zbrojiti kako biste pronašli ukupnu entalpiju reakcije.
- U našem primjeru, konačni proizvod je voda koja ima specifičnu toplinu od cca. 4,2 džula/gram ° C.
Korak 4. Pronađite razliku u temperaturi nakon što se reakcija dogodi
Zatim ćemo pronaći T, promjenu temperature prije i poslije reakcije. Oduzmite početnu temperaturu reakcije (ili T1) od konačne temperature nakon reakcije (ili T2) da biste je izračunali. Kao i u većini kemijskih radova, koristi se temperatura Kelvina (K) (iako će Celzijus (C) dati isti rezultat).
-
Za naš primjer, recimo da je početna temperatura reakcije 185K, ali da se ohladi na 95K kada se reakcija završi. U ovom problemu, T se izračunava na sljedeći način:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Korak 5. Za rješavanje koristite formulu H = m x s x T
Ako imate m, masu reaktanata, s, specifičnu toplinu proizvoda i T, promjenu temperature reakcije, spremni ste za pronalaženje entalpije reakcije. Uključite svoje vrijednosti u formulu H = m x s x T i pomnožite za rješavanje. Vaš odgovor je napisan u energetskim jedinicama, naime Joules (J).
-
Za naš primjer problema, entalpija reakcije je:
H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Korak 6. Utvrdite da li vaša reakcija prima ili gubi energiju
Jedan od najčešćih razloga izračunavanja H za različite reakcije je utvrđivanje je li reakcija egzotermna (gubi energiju i oslobađa toplinu) ili endotermna (dobiva energiju i apsorbira toplinu). Ako je znak vašeg konačnog odgovora za H pozitivan, onda je reakcija endotermna. U međuvremenu, ako je predznak negativan, reakcija je egzotermna. Što je veći broj, veća je egzo- ili endotermna reakcija. Budite oprezni sa snažnim egzotermnim reakcijama - one ponekad oslobađaju velike količine energije, koje, ako se oslobode vrlo brzo, mogu izazvati eksploziju.
U našem primjeru konačni odgovor je -13608J. Budući da je predznak negativan, znamo da je naša reakcija egzotermno. Ovo ima smisla - H2 i O2 je plin, dok je H2O, proizvod, je tečnost. Vrući plin (u obliku pare) mora ispuštati energiju u okolinu u obliku topline, kako bi se ohladio u tečnost, odnosno reakciju u obliku H2O je egzotermno.
Metoda 2 od 3: Procjena veličine entalpije
Korak 1. Koristite energiju veze za procjenu entalpije
Gotovo sve kemijske reakcije uključuju stvaranje ili prekidanje veza između atoma. Budući da se u kemijskim reakcijama energija ne može uništiti ili stvoriti, ako znamo količinu energije potrebne za stvaranje ili prekidanje veza u reakciji, možemo procijeniti promjenu entalpije za cjelokupnu reakciju s visokim stupnjem tačnosti zbrajanjem ove veze energije.
-
Na primjer, u reakciji je korišten H2 + F2 → 2HF. U ovoj jednadžbi, energija potrebna za razgradnju atoma H u molekuli H.2 iznosi 436 kJ/mol, dok je energija potrebna za F2 iznosi 158 kJ/mol. Konačno, energija potrebna za stvaranje HF iz H i F je = -568 kJ/mol. Množimo s 2 jer je proizvod u jednadžbi 2 HF, pa je to 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Zbrajajući sve zajedno, dobivamo:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Korak 2. Pomoću entalpije formacije procijenite entalpiju
Entalpija formiranja je skup vrijednosti H koji predstavlja promjenu entalpije reakcije da se dobije kemijska tvar. Ako znate entalpiju formacije potrebnu za proizvodnju produkata i reaktanata u jednadžbi, možete ih zbrojiti kako biste procijenili entalpiju poput gore opisanih energija veze.
-
Na primjer, jednadžba koristi C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. U ovoj jednadžbi znamo da je entalpija formiranja za sljedeću reakciju:
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
Pošto možemo sabrati ove jednadžbe da bismo dobili C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, iz reakcije koju pokušavamo pronaći entalpiju, potrebno je samo zbrajati entalpiju reakcije formiranja iznad kako bismo pronašli entalpiju ove reakcije, kako slijedi:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Korak 3. Ne zaboravite promijeniti znak prilikom poništavanja jednadžbe
Važno je napomenuti da kada koristite entalpiju formacije za izračunavanje entalpije reakcije, morate promijeniti znak entalpije formacije kad god promijenite jednadžbu za reakciju elemenata. Drugim riječima, ako obrnete jednu ili više svojih jednadžbi za stvaranje reakcije tako da se proizvodi i reaktanti međusobno poništavaju, promijenite znak entalpije reakcije formiranja koju mijenjate.
U gornjem primjeru imajte na umu da smo reakciju formiranja koju smo koristili za C2H5OH naopako. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 emisija C2H5OH je podijeljen, nije formiran. Budući da smo ovu jednadžbu preokrenuli tako da se produkti i reaktanti međusobno poništavaju, promijenili smo znak entalpije formiranja dajući 228 kJ/mol. Zapravo, entalpija formacije za C2H5OH je -228 kJ/mol.
Metoda 3 od 3: Promatranje promjene entalpije u eksperimentima
Korak 1. Uzmite čistu posudu i napunite je vodom
Princip entalpije lako je vidjeti jednostavnim eksperimentom. Kako biste bili sigurni da vaša eksperimentalna reakcija nije zagađena vanjskim tvarima, očistite i sterilizirajte spremnike koje namjeravate koristiti. Naučnici koriste posebne zapečaćene posude zvane kalorimetre za mjerenje entalpije, ali možete postići dobre rezultate sa bilo kojim staklom ili malom epruvetom. Koju god posudu koristite, napunite je čistom vodom sobne temperature. Također biste trebali eksperimentirati u prostoriji s hladnom temperaturom.
Za ovaj eksperiment trebat će vam prilično mali spremnik. Ispitat ćemo učinak promjene entalpije Alka-Seltzera na vodu, pa što manje vode koristite, to će promjena temperature biti izraženija
Korak 2. Umetnite termometar u posudu
Uzmite termometar i stavite ga u posudu tako da vrh termometra bude pod vodom. Očitajte temperaturu vode - za naše potrebe temperatura vode se označava sa T1, početnom temperaturom reakcije.
Recimo da mjerimo temperaturu vode i rezultat je 10 stepeni C. U nekoliko koraka ćemo koristiti ova očitanja temperature da bismo dokazali princip entalpije
Korak 3. Dodajte jedan Alka-Seltzer u posudu
Kad budete spremni za početak eksperimenta, spustite Alka-Seltzer u vodu. Odmah ćete primijetiti da zrno mjehuri i siči. Kad se zrnca otope u vodi, razlažu se u hemijski bikarbonat (HCO.).3-) i limunska kiselina (koja reagira u obliku vodikovih iona, H+). Ove kemikalije reagiraju u vodi i ugljikov dioksid u jednadžbi 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Korak 4. Izmjerite temperaturu kada reakcija završi
Gledajte kako reakcija napreduje - Alka -Seltzer granule će se polako otopiti. Čim reakcija zrna prestane (ili se usporila), ponovo izmjerite temperaturu. Voda bi trebala biti hladnija nego prije. Ako je toplije, na eksperiment mogu utjecati vanjske sile (na primjer, ako je prostorija u kojoj se nalazite topla).
Za naš eksperimentalni primjer, recimo da je temperatura vode 8 stepeni C nakon što zrna prestanu pjeniti
Korak 5. Procijenite entalpiju reakcije
U idealnom eksperimentu, kada ispustite zrno Alka-Seltzer u vodu, ono stvara vodu i plin ugljični dioksid (plin se može promatrati kao šištajući mjehurić) i uzrokuje pad temperature vode. Iz ovih podataka pretpostavljamo da je reakcija endotermna - odnosno da apsorbira energiju iz okolnog okruženja. Rastopljeni tekući reaktanti zahtijevaju dodatnu energiju za proizvodnju plinovitog proizvoda, pa apsorbiraju energiju u obliku topline iz okoline (u ovom eksperimentu, vode). To uzrokuje smanjenje temperature vode.
