Visose cheminėse reakcijose šilumą galima gauti iš aplinkos arba išleisti į aplinką. Šilumos mainai tarp cheminės reakcijos ir jos aplinkos yra žinomi kaip reakcijos entalpija arba H. Tačiau H negalima tiesiogiai išmatuoti - vietoj to mokslininkai naudoja reakcijos temperatūros pokyčius laikui bėgant, kad nustatytų entalpijos pokyčius. laikui bėgant (parašyta kaip H). Naudodamas H, mokslininkas gali nustatyti, ar reakcija išskiria šilumą (arba yra „egzoterminė“), ar gauna šilumą (arba yra „endoterminė“). Apskritai, H = m x s x T., kur m yra reagentų masė, s - specifinė produktų šiluma, o T - temperatūros pokytis reakcijoje.
Žingsnis
1 metodas iš 3: Entalpijos problemų sprendimas
Žingsnis 1. Nustatykite savo produktų ir reagentų reakciją
Bet kokia cheminė reakcija apima dvi chemines kategorijas - produktus ir reagentus. Produktai yra cheminės medžiagos, atsirandančios dėl reakcijų, o reagentai yra cheminės medžiagos, kurios sujungiamos arba suskaidomos, kad gautų produktus. Kitaip tariant, reakcijos reagentai yra tarsi maisto recepto sudedamosios dalys, o produktai yra gatavas maistas. Norėdami rasti reakcijos H, pirmiausia nustatykite produktus ir reagentus.
Pavyzdžiui, tarkime, kad rasime reakcijos entalpiją vandens susidarymui iš vandenilio ir deguonies: 2H2 (Vandenilis) + O2 (Deguonis) → 2H2O (vanduo). Šioje lygtyje, H2 ir O2 yra reagentas ir H2O yra produktas.
2 žingsnis. Nustatykite bendrą reagentų masę
Tada suraskite savo reagentų masę. Jei nežinote jo masės ir negalite jo pasverti moksliniu mastu, galite naudoti jo molinę masę, kad surastumėte tikrąją masę. Molinė masė yra konstanta, kurią galima rasti įprastoje periodinėje lentelėje (pavieniams elementams) ir kituose cheminiuose šaltiniuose (molekulėms ir junginiams). Tiesiog padauginkite kiekvieno reagento molinę masę iš molių skaičiaus, kad rastumėte reagentų masę.
-
Vandens pavyzdyje mūsų reagentai yra vandenilis ir deguonies dujos, kurių molinė masė yra 2 g ir 32 g. Kadangi mes naudojame 2 molius vandenilio (sprendžiant iš koeficiento 2 H2) ir 1 mol deguonies (sprendžiant iš to, kad O nėra koeficientų2), mes galime apskaičiuoti bendrą reagentų masę taip:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Žingsnis 3. Raskite specifinę savo gaminio šilumą
Tada suraskite specifinę analizuojamo produkto šilumą. Kiekvienas elementas ar molekulė turi tam tikrą specifinę šilumą: ši vertė yra pastovi ir paprastai randama chemijos mokymosi šaltiniuose (pavyzdžiui, lentelėje, esančioje chemijos vadovėlio gale). Yra skirtingi būdai apskaičiuoti specifinę šilumą, tačiau pagal formulę, kurią naudojame, naudojame vienetą džaulio/gramo ° C.
- Atminkite, kad jei jūsų lygtyje yra keli produktai, turėsite apskaičiuoti kiekvieno produkto gamybai naudojamų elementų reakcijų entalpiją, tada sudėkite jas, kad rastumėte bendrą reakcijos entalpiją.
- Mūsų pavyzdyje galutinis produktas yra vanduo, kurio savita šiluma yra maždaug. 4,2 džaulio/gramas ° C.
Žingsnis 4. Suraskite temperatūros skirtumą po reakcijos
Toliau rasime T, temperatūros pokyčius prieš ir po reakcijos. Norėdami apskaičiuoti, atimkite pradinę reakcijos temperatūrą (arba T1) iš galutinės reakcijos temperatūros (arba T2). Kaip ir daugelyje chemijos darbų, naudojama Kelvino (K) temperatūra (nors Celsijaus laipsnis (C) duos tą patį rezultatą).
-
Pavyzdžiui, tarkime, kad pradinė reakcijos temperatūra yra 185 K, bet atvėsus iki 95 K. Šioje problemoje T apskaičiuojamas taip:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 tūkst
Žingsnis 5. Norėdami išspręsti, naudokite formulę H = m x s x T
Jei turite m, reagentų masę, s, produktų specifinę šilumą ir T, reakcijos temperatūros pokyčius, tuomet esate pasiruošę rasti reakcijos entalpiją. Prijunkite savo vertes į formulę H = m x s x T ir padauginkite, kad išspręstumėte. Jūsų atsakymas parašytas energijos vienetais, būtent džauliais (J).
-
Mūsų problemos pavyzdyje reakcijos entalpija yra tokia:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13 608 J.
Žingsnis 6. Nustatykite, ar jūsų reakcija gauna ar praranda energiją
Viena iš dažniausiai pasitaikančių priežasčių apskaičiuojant H įvairioms reakcijoms yra nustatyti, ar reakcija yra egzoterminė (praranda energiją ir išskiria šilumą), ar endoterminė (įgauna energijos ir sugeria šilumą). Jei jūsų galutinio H atsakymo ženklas yra teigiamas, reakcija yra endoterminė. Tuo tarpu, jei ženklas yra neigiamas, reakcija yra egzoterminė. Kuo didesnis skaičius, tuo didesnė egzo- arba endoterminė reakcija. Būkite atsargūs su stipriomis egzoterminėmis reakcijomis - jos kartais išskiria didelius energijos kiekius, kurie labai greitai išsiskyrę gali sukelti sprogimą.
Mūsų pavyzdyje galutinis atsakymas yra -13608J. Kadangi ženklas yra neigiamas, mes žinome, kad mūsų reakcija yra egzoterminis. Tai logiška - H.2 ir O.2 yra dujos, o H.2O, produktas yra skystis. Karštos dujos (garo pavidalu) turi išleisti energiją į aplinką šilumos pavidalu, atvėsinti, kad susidarytų skystis, tai yra reakcija į H2O yra egzoterminis.
2 metodas iš 3: entalpijos dydžio įvertinimas
Žingsnis 1. Naudokite ryšių energiją, kad įvertintumėte entalpiją
Beveik visos cheminės reakcijos apima ryšių tarp atomų susidarymą ar nutraukimą. Kadangi cheminių reakcijų metu energija negali būti sunaikinta ar sukurta, jei žinome energijos kiekį, reikalingą reakcijoms susieti ar sulaužyti, mes galime labai tiksliai įvertinti visos reakcijos entalpijos pokyčius, sudėję šiuos ryšius energijos.
-
Pavyzdžiui, reakcijoje naudojama H2 + F.2 → 2HF. Šioje lygtyje energija, reikalinga H. molekulės H atomams skaidyti, yra2 yra 436 kJ/mol, o energija, reikalinga F2 yra 158 kJ/mol. Galiausiai energija, reikalinga formuoti HF iš H ir F, yra = -568 kJ/mol. Padauginame iš 2, nes lygties produktas yra 2 HF, taigi tai yra 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Sudėjus juos visus, gauname:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Žingsnis 2. Naudokite formavimo entalpiją, kad įvertintumėte entalpiją
Formavimo entalpija yra H reikšmių rinkinys, reiškiantis reakcijos entalpijos pasikeitimą į cheminę medžiagą. Jei žinote susidarymo entalpiją, reikalingą gaminant lygtyje esančius produktus ir reagentus, galite juos sudėti, kad įvertintumėte entalpiją, kaip ir aukščiau aprašytos jungties energijos.
-
Pavyzdžiui, naudojama lygtis C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Šioje lygtyje mes žinome, kad šios reakcijos susidarymo entalpija yra:
C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3H2 +1,5 O.2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Kadangi mes galime apibendrinti šias lygtis, kad gautume C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, iš reakcijos, kurią bandome rasti entalpiją, mums reikia tik sudėti aukščiau esančios susidarymo reakcijos entalpiją, kad rastume šios reakcijos entalpiją, kaip nurodyta toliau:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Žingsnis 3. Nepamirškite pakeisti ženklo, kai pakeisite lygtį
Svarbu pažymėti, kad kai formavimo entalpiją naudojate reakcijos entalpijai apskaičiuoti, turite pakeisti formavimo entalpijos ženklą, kai tik pakeičiate elementų reakcijos lygtį. Kitaip tariant, jei apverčiate vieną ar daugiau lygčių, kad susidarytų reakcija, kad produktai ir reagentai vienas kitą panaikintų, pakeiskite keičiamos susidarymo reakcijos entalpijos ženklą.
Aukščiau pateiktame pavyzdyje atkreipkite dėmesį, kad susidarymo reakcija, kurią naudojome C2H5O aukštyn kojom. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 parodyti C.2H5OH yra suskaidyta, nesusiformavusi. Kadangi mes pakeitėme šią lygtį taip, kad produktai ir reagentai vienas kitą panaikintų, mes pakeitėme susidarymo entalpijos ženklą, kad gautume 228 kJ/mol. Tiesą sakant, C susidarymo entalpija2H5OH yra -228 kJ/mol.
3 metodas iš 3: Entalpijos pokyčių stebėjimas eksperimentuose
Žingsnis 1. Paimkite švarų indą ir užpildykite vandeniu
Su paprastu eksperimentu lengva pamatyti entalpijos principą. Norėdami užtikrinti, kad jūsų eksperimentinė reakcija nebūtų užteršta išorinėmis medžiagomis, išvalykite ir sterilizuokite indus, kuriuos ketinate naudoti. Mokslininkai entalpijai matuoti naudoja specialius sandarius indus, vadinamus kalorimetrais, tačiau gerų rezultatų galite gauti naudodami bet kokį stiklinį ar mažą mėgintuvėlį. Nepriklausomai nuo naudojamo indo, užpildykite jį švariu, kambario temperatūros vandeniu. Taip pat turėtumėte eksperimentuoti šaltoje temperatūroje.
Šiam eksperimentui jums reikės gana mažo konteinerio. Išnagrinėsime „Alka-Seltzer“entalpijos pasikeitimo poveikį vandeniui, todėl kuo mažiau vandens naudosite, tuo ryškesnis bus temperatūros pokytis
Žingsnis 2. Įdėkite termometrą į indą
Paimkite termometrą ir padėkite jį į indą taip, kad termometro galas būtų po vandeniu. Perskaitykite vandens temperatūrą - mūsų tikslais vandens temperatūra žymima T1, pradine reakcijos temperatūra.
Tarkime, mes matuojame vandens temperatūrą ir rezultatas yra 10 laipsnių C. Po kelių žingsnių mes panaudosime šiuos temperatūros rodmenis, kad įrodytume entalpijos principą
Žingsnis 3. Į konteinerį įpilkite vieną „Alka-Seltzer“
Kai būsite pasiruošę pradėti eksperimentą, įmeskite „Alka-Seltzer“į vandenį. Jūs iškart pastebėsite, kad grūdai burbuliuoja ir šnypščia. Kai granulės ištirpsta vandenyje, jos suskyla į cheminį bikarbonatą (HCO.).3-) ir citrinos rūgštis (kuri reaguoja vandenilio jonų pavidalu, H+). Šios cheminės medžiagos reaguoja, sudarydamos vandenį ir anglies dioksido dujas 3HCO lygtyje3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Žingsnis 4. Kai reakcija baigta, išmatuokite temperatūrą
Stebėkite, kaip vyksta reakcija - „Alka -Seltzer“granulės lėtai ištirps. Kai tik grūdų reakcija baigiasi (arba sulėtėja), dar kartą išmatuokite temperatūrą. Vanduo turėtų būti šaltesnis nei anksčiau. Jei šilčiau, eksperimentą gali paveikti išorės jėgos (pavyzdžiui, jei patalpoje, kurioje esate, yra šilta).
Mūsų eksperimentiniam pavyzdžiui, tarkime, vandens temperatūra yra 8 laipsniai C po to, kai grūdai nustoja šnypšti
Žingsnis 5. Įvertinkite reakcijos entalpiją
Idealiu atveju eksperimentas, kai „Alka-Seltzer“grūdai patenka į vandenį, susidaro vanduo ir anglies dioksido dujos (dujos gali būti stebimos kaip šnypščiantis burbulas) ir sumažina vandens temperatūrą. Remdamiesi šia informacija, spėjame, kad reakcija yra endoterminė - tai yra, ji sugeria energiją iš supančios aplinkos. Ištirpusiems skystiems reagentams reikia papildomos energijos dujiniam produktui gaminti, todėl jie sugeria energiją šilumos pavidalu iš aplinkos (šiame eksperimente vandens). Dėl to sumažėja vandens temperatūra.
