Во всех химических реакциях тепло может поступать из окружающей среды или выделяться в окружающую среду. Обмен теплом между химической реакцией и окружающей средой известен как энтальпия реакции, или H. Однако H нельзя измерить напрямую - вместо этого ученые используют изменение температуры реакции с течением времени, чтобы найти изменение энтальпии. с течением времени (записывается как ЧАС). С помощью H ученый может определить, выделяет ли реакция тепло (или является «экзотермической») или получает тепло (или является «эндотермической»). В основном, Н = м х с х т, где m - масса реагентов, s - удельная теплоемкость продуктов, а T - изменение температуры в реакции.
Шаг
Метод 1 из 3: Решение проблем энтальпии
Шаг 1. Определите реакцию ваших продуктов и реагентов
Любая химическая реакция включает две химические категории - продукты и реагенты. Продукты - это химические вещества, возникающие в результате реакций, а реагенты - это химические вещества, которые объединяются или расщепляются с образованием продуктов. Другими словами, реагенты реакции подобны ингредиентам рецепта пищи, а продукты - это готовая пища. Чтобы найти H реакции, сначала определите продукты и реагенты.
Например, скажем, мы собираемся найти энтальпию реакции образования воды из водорода и кислорода: 2H2 (Водород) + O2 (Кислород) → 2H2О (Вода). В этом уравнении ЧАС2 а также О2 это реагент и ЧАС2О это продукт.
Шаг 2. Определите общую массу реагентов
Затем найдите массу ваших реагентов. Если вы не знаете его массу и не можете взвесить ее по научным шкалам, вы можете использовать его молярную массу, чтобы найти его фактическую массу. Молярная масса - это константа, которую можно найти в регулярной таблице Менделеева (для отдельных элементов) и других химических источниках (для молекул и соединений). Просто умножьте молярную массу каждого реагента на количество молей, чтобы найти массу реагентов.
-
В примере с водой нашими реагентами являются газообразные водород и кислород, молярные массы которых составляют 2 г и 32 г. Поскольку мы используем 2 моля водорода (судя по коэффициенту 2 в H2) и 1 моль кислорода (судя по отсутствию коэффициентов при O2), мы можем рассчитать общую массу реагентов следующим образом:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 г
Шаг 3. Определите удельную теплоемкость вашего продукта
Затем найдите удельную теплоемкость анализируемого продукта. Каждый элемент или молекула имеет определенную удельную теплоемкость: это значение является постоянным и обычно находится в учебных ресурсах по химии (например, в таблице в конце учебника химии). Есть разные способы вычисления удельной теплоемкости, но для формулы, которую мы используем, мы используем единицу измерения Джоуль / грамм ° C.
- Обратите внимание: если в вашем уравнении есть несколько продуктов, вам нужно будет вычислить энтальпию реакций элементов, используемых для производства каждого продукта, а затем сложить их, чтобы найти общую энтальпию реакции.
- В нашем примере конечным продуктом является вода, удельная теплоемкость которой составляет ок. 4,2 джоуля / грамм ° C.
Шаг 4. Найдите разницу температур после прохождения реакции
Затем мы найдем T - изменение температуры до и после реакции. Вычтите начальную температуру реакции (или T1) из конечной температуры после реакции (или T2), чтобы рассчитать ее. Как и в большинстве химических работ, используется температура Кельвина (K) (хотя по Цельсию (C) будет тот же результат).
-
В нашем примере предположим, что начальная температура реакции составляет 185 К, но охлаждается до 95 К, когда реакция завершается. В этой задаче T рассчитывается следующим образом:
Т = Т2 - Т1 = 95 К - 185 К = - 90 К
Шаг 5. Используйте формулу H = m x s x T для решения
Если у вас есть m, масса реагентов, s, удельная теплоемкость продуктов, и T, изменение температуры реакции, то вы готовы найти энтальпию реакции. Подставьте свои значения в формулу H = m x s x T и умножьте, чтобы решить. Ваш ответ записан в единицах энергии, а именно в джоулях (Дж).
-
Для нашего примера задачи энтальпия реакции равна:
H = (36 г) × (4,2 ДжК-1 г-1) × (-90K) = - 13 608 Дж
Шаг 6. Определите, получает ли ваша реакция энергию или теряет ее
Одна из наиболее распространенных причин для расчета H для различных реакций - определить, является ли реакция экзотермической (теряется энергия и выделяет тепло) или эндотермической (набирает энергию и поглощает тепло). Если ваш окончательный ответ для H положительный, значит реакция эндотермическая. Между тем, если знак отрицательный, реакция экзотермическая. Чем больше число, тем сильнее экзотермическая или эндотермическая реакция. Будьте осторожны с сильными экзотермическими реакциями - они иногда выделяют большое количество энергии, которая, если ее высвободить очень быстро, может вызвать взрыв.
В нашем примере окончательный ответ -13608J. Поскольку знак отрицательный, мы знаем, что наша реакция экзотермический. В этом есть смысл - H2 и O2 газ, а H2О, продукт, представляет собой жидкость. Горячий газ (в форме пара) должен отдавать энергию в окружающую среду в виде тепла, чтобы охладить его до образования жидкости, то есть реакции с образованием H2O экзотермичен.
Метод 2 из 3: оценка размера энтальпии
Шаг 1. Используйте энергии связи, чтобы оценить энтальпию
Почти все химические реакции включают образование или разрыв связей между атомами. Поскольку в химических реакциях энергия не может быть разрушена или создана, если мы знаем количество энергии, необходимое для образования или разрыва связей в реакции, мы можем с высокой степенью точности оценить изменение энтальпии для всей реакции, сложив эти связи. энергии.
-
Например, в реакции использовали H2 + F2 → 2HF. В этом уравнении энергия, необходимая для разрушения атомов H в молекуле H., Равна2 составляет 436 кДж / моль, а энергия, необходимая для F2 составляет 158 кДж / моль. Наконец, энергия, необходимая для образования HF из H и F, составляет = -568 кДж / моль. Мы умножаем на 2, потому что произведение в уравнении равно 2 HF, то есть 2 × -568 = -1136 кДж / моль. Складывая их все вместе, получаем:
436 + 158 + -1136 = - 542 кДж / моль.
Шаг 2. Используйте энтальпию образования, чтобы оценить энтальпию
Энтальпия образования - это набор значений H, который представляет изменение энтальпии реакции с образованием химического вещества. Если вам известна энтальпия образования, необходимая для производства продуктов и реагентов в уравнении, вы можете сложить их, чтобы оценить энтальпию, как энергии связи, описанные выше.
-
Например, используемое уравнение C2ЧАС5ОН + 3О2 → 2CO2 + 3H2О. В этом уравнении мы знаем, что энтальпия образования для следующей реакции равна:
C2ЧАС5ОН → 2С + 3Н2 + 0.5O2 = 228 кДж / моль
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 кДж / моль
3H2 +1,5 O2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 кДж / моль
Поскольку мы можем просуммировать эти уравнения, чтобы получить C2ЧАС5ОН + 3О2 → 2CO2 + 3H2О, из реакции, которую мы пытаемся найти энтальпию, нам нужно только сложить энтальпию реакции образования выше, чтобы найти энтальпию этой реакции, как показано ниже:
228 + -788 + -858 = - 1418 кДж / моль.
Шаг 3. Не забудьте поменять знак при переворачивании уравнения
Важно отметить, что когда вы используете энтальпию образования для расчета энтальпии реакции, вы должны менять знак энтальпии образования всякий раз, когда вы меняете уравнение реакции элементов на обратное. Другими словами, если вы инвертируете одно или несколько своих уравнений образования реакции так, чтобы продукты и реагенты нейтрализовали друг друга, измените знак энтальпии реакции образования, которую вы меняете местами.
В приведенном выше примере обратите внимание, что реакция образования, которую мы использовали для C2ЧАС5ОН вверх ногами. C2ЧАС5ОН → 2С + 3Н2 + 0.5O2 показать C2ЧАС5ОН расщепляется, а не образуется. Поскольку мы перевернули это уравнение, чтобы продукты и реагенты нейтрализовали друг друга, мы изменили знак энтальпии образования, чтобы получить 228 кДж / моль. Фактически энтальпия образования C2ЧАС5ОН составляет -228 кДж / моль.
Метод 3 из 3: наблюдение за изменением энтальпии в экспериментах
Шаг 1. Возьмите чистую емкость и наполните ее водой
Принцип энтальпии легко увидеть с помощью простого эксперимента. Чтобы гарантировать, что ваша экспериментальная реакция не будет загрязнена внешними веществами, очистите и стерилизуйте контейнеры, которые вы собираетесь использовать. Ученые используют специальные герметичные контейнеры, называемые калориметрами, для измерения энтальпии, но вы можете получить хорошие результаты с любой стеклянной или небольшой пробиркой. Какой бы контейнер вы ни использовали, наполните его чистой водой комнатной температуры. Также стоит поэкспериментировать в комнате с низкой температурой.
Для этого эксперимента вам понадобится довольно маленькая емкость. Мы рассмотрим влияние изменения энтальпии Alka-Seltzer на воду, поэтому чем меньше воды вы используете, тем более выраженным будет изменение температуры
Шаг 2. Вставьте термометр в емкость
Возьмите термометр и поместите его в емкость так, чтобы кончик термометра находился под водой. Считайте температуру воды - для наших целей температура воды обозначается T1, начальной температурой реакции.
Допустим, мы измеряем температуру воды, и результат составляет 10 градусов по Цельсию. Через несколько шагов мы будем использовать эти показания температуры, чтобы доказать принцип энтальпии
Шаг 3. Добавьте в емкость одну алька-зельцерку
Когда вы будете готовы начать эксперимент, бросьте в воду Alka-Seltzer. Вы сразу заметите, что зерно пузырится и шипит. Когда шарики растворяются в воде, они распадаются на химический бикарбонат (HCO.).3-) и лимонной кислоты (которая реагирует в виде ионов водорода, H+). Эти химические вещества реагируют с образованием воды и углекислого газа в уравнении 3HCO.3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Шаг 4. Измерьте температуру, когда реакция завершится
Наблюдайте, как протекает реакция - гранулы Alka-Seltzer будут медленно растворяться. Как только реакция зерна закончится (или замедлится), снова измерьте температуру. Вода должна быть холоднее, чем раньше. Если теплее, на эксперимент могут повлиять внешние силы (например, если в комнате, в которой вы находитесь, тепло).
В нашем экспериментальном примере предположим, что температура воды после того, как зерна перестанут шипеть, составляет 8 градусов Цельсия
Шаг 5. Оцените энтальпию реакции
В идеальном эксперименте, когда вы бросаете зерно Alka-Seltzer в воду, оно образует воду и углекислый газ (этот газ можно наблюдать как шипящий пузырь) и вызывает падение температуры воды. Исходя из этой информации, мы предполагаем, что реакция является эндотермической, то есть поглощает энергию из окружающей среды. Растворенным жидким реагентам требуется дополнительная энергия для производства газообразного продукта, поэтому они поглощают энергию в виде тепла из окружающей среды (в этом эксперименте вода). Это вызывает снижение температуры воды.
