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 izravno mjeriti - umjesto toga, znanstvenici koriste promjenu temperature reakcije tijekom vremena kako bi pronašli promjenu entalpije s vremenom (napisano kao H). S H, znanstvenik može utvrditi daje li reakcija toplinu (ili je "egzotermna") ili prima toplinu (ili je "endotermna"). Općenito, H = m x s x T, gdje je m masa reaktanata, s je specifična toplina produkata, 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 (Kisik) → 2H2O (Voda). U ovoj jednadžbi, H2 i O.2 je reaktant i H2O. je proizvod.
Korak 2. Odredite ukupnu masu reaktanata
Zatim pronađite masu svojih reaktanata. Ako ne znate njegovu masu i ne možete je izvagati na znanstvenoj ljestvici, možete upotrijebiti njezinu molarnu masu kako biste pronašli njezinu stvarnu masu. Molarna masa je konstanta koja se može pronaći u redovitoj periodičnoj tablici (za pojedinačne elemente) i drugim kemijskim izvorima (za molekule i spojeve). Samo pomnožite molarnu masu svakog reaktanta s brojem molova da pronađete masu reaktanata.
-
U primjeru vode, naši reaktanti su plinovi vodika i kisika, 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 odsutnosti koeficijenata u O2), ukupnu masu reaktanata možemo izračunati na sljedeći način:
2 × (2 g) + 1 × (32 g) = 4 g + 32 g = 36 g
Korak 3. Pronađite specifičnu toplinu vašeg proizvoda
Zatim pronađite specifičnu toplinu proizvoda koji analizirate. Svaki element ili molekula ima specifičnu specifičnu toplinu: ta je vrijednost konstanta i obično se nalazi u resursima za učenje kemije (na primjer, u tablici na poleđini udžbenika kemije). 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 kad je reakcija završena. U ovom se problemu T 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 produkata 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 prima li vaša reakcija 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 egzotermni. Ovo ima smisla - H2 i O.2 je plin, dok je H2O, proizvod, je tekućina. Vrući plin (u obliku pare) mora oslobađati energiju u okoliš u obliku topline, kako bi se ohladio u tekućinu, odnosno reakciju u obliku H2O je egzotermno.
Metoda 2 od 3: Procjena veličine entalpije
Korak 1. Pomoću energije veze procijenite entalpiju
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 točnosti 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 umnožak 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 tvorbe je skup vrijednosti H koji predstavlja promjenu entalpije reakcije da se dobije kemijska tvar. Ako znate entalpiju stvaranja 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 tvorbe 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
Budući da ove jednadžbe možemo zbrojiti kako bismo dobili C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, iz reakcije koju pokušavamo pronaći entalpiju, trebamo 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 preokretanja jednadžbe
Važno je napomenuti da kada koristite entalpiju formacije za izračun entalpije reakcije, morate promijeniti znak entalpije formacije kad god promijenite jednadžbu za reakciju elemenata. Drugim riječima, ako obrnete jednu ili više svojih jednadžbi za nastanak reakcije tako da se produkti i reaktanti međusobno poništavaju, promijenite znak entalpije reakcije tvorbe koju mijenjate.
U gornjem primjeru imajte na umu da smo reakciju tvorbe 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 predznak entalpije stvaranja dajući 228 kJ/mol. Zapravo, entalpija formacije za C2H5OH je -228 kJ/mol.
Metoda 3 od 3: Promatranje promjene entalpije u pokusima
Korak 1. Uzmite čistu posudu i napunite je vodom
Princip entalpije lako je vidjeti jednostavnim pokusom. Kako biste bili sigurni da vaša eksperimentalna reakcija nije kontaminirana vanjskim tvarima, očistite i sterilizirajte spremnike koje namjeravate koristiti. Znanstvenici 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 spremnik
Uzmite termometar i stavite ga u posudu tako da vrh termometra bude pod vodom. Očitajte temperaturu vode - za naše potrebe temperatura vode označava se s T1, početnom temperaturom reakcije.
Recimo da mjerimo temperaturu vode i rezultat je 10 stupnjeva C. U nekoliko koraka upotrijebit ćemo ova očitanja temperature da bismo dokazali princip entalpije
Korak 3. Dodajte jedan Alka-Seltzer u spremnik
Kad budete spremni za početak eksperimenta, spustite Alka-Seltzer u vodu. Odmah ćete primijetiti da zrno žubori i šišti. Kad se zrnca otope u vodi, razlažu se u kemijski 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 kad reakcija završi
Gledajte kako se reakcija odvija - granule Alka -Seltzer polako će se otopiti. Čim reakcija zrna prestane (ili se usporila), ponovno izmjerite temperaturu. Voda bi trebala biti hladnija nego prije. Ako je toplije, na pokus mogu utjecati vanjske sile (na primjer, ako je soba u kojoj se nalazite topla).
Za naš eksperimentalni primjer, recimo da je temperatura vode 8 stupnjeva C nakon što zrna prestanu pjeniti
Korak 5. Procijenite entalpiju reakcije
U idealnom pokusu, kada zrno Alka-Seltzer ispustite 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 okoliša. Otopljeni tekući reaktanti zahtijevaju dodatnu energiju za proizvodnju plinovitog proizvoda, pa apsorbiraju energiju u obliku topline iz okoline (u ovom pokusu voda). Zbog toga se temperatura vode smanjuje.
