Při všech chemických reakcích může být teplo přijímáno z okolí nebo uvolňováno do okolí. Výměna tepla mezi chemickou reakcí a jejím prostředím je známá jako entalpie reakce nebo H. H však nelze měřit přímo - místo toho vědci používají změnu teploty reakce v průběhu času k nalezení změny entalpie v průběhu času (psáno jako H). S H může vědec určit, zda reakce vydává teplo (nebo je „exotermické“) nebo přijímá teplo (nebo je „endotermické“). Obecně, H = m x s x Tkde m je hmotnost reakčních složek, s je měrné teplo produktů a T je změna teploty v reakci.
Krok
Metoda 1 ze 3: Řešení problémů s entalpií
Krok 1. Určete reakci svých produktů a reaktantů
Každá chemická reakce zahrnuje dvě chemické kategorie - produkty a reaktanty. Produkty jsou chemické látky, které jsou výsledkem reakcí, zatímco reaktanty jsou chemické látky, které se spojují nebo štěpí za vzniku produktů. Jinými slovy, reakční složky reakce jsou jako přísady receptu na potraviny, zatímco produkty jsou hotové potraviny. Chcete -li zjistit H reakce, nejprve identifikujte produkty a reaktanty.
Řekněme například, že najdeme entalpii reakce pro tvorbu vody z vodíku a kyslíku: 2H2 (Vodík) + O2 (Kyslík) → 2H2O (voda). V této rovnici H2 a Ó2 je reaktant a H2Ó je výrobek.
Krok 2. Určete celkovou hmotnost reaktantů
Dále najděte hmotnost svých reaktantů. Pokud neznáte jeho hmotnost a nemůžete jej vážit ve vědeckém měřítku, můžete použít jeho molární hmotnost k nalezení jeho skutečné hmotnosti. Molární hmotnost je konstanta, kterou lze nalézt v pravidelné periodické tabulce (pro jednotlivé prvky) a dalších chemických zdrojích (pro molekuly a sloučeniny). Stačí vynásobit molární hmotnost každého reaktantu počtem molů a zjistit hmotnost reaktantů.
-
V případě vody jsou našimi reaktanty vodíkové a kyslíkové plyny, které mají molární hmotnosti 2 g a 32 g. Protože používáme 2 moly vodíku (soudě podle koeficientu 2 v H2) a 1 mol kyslíku (soudě podle absence koeficientů v O2), můžeme celkovou hmotnost reaktantů vypočítat následovně:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Krok 3. Najděte specifické teplo vašeho produktu
Dále najděte specifické teplo produktu, který analyzujete. Každý prvek nebo molekula má specifické specifické teplo: tato hodnota je konstantní a obvykle se nachází ve studijních zdrojích chemie (například v tabulce na konci učebnice chemie). Existují různé způsoby výpočtu specifického tepla, ale pro vzorec, který používáme, používáme jednotku Joule/gram ° C.
- Všimněte si, že pokud vaše rovnice obsahuje více produktů, budete muset vypočítat entalpii pro reakce prvků použitých k výrobě každého produktu a poté je sečíst, abyste našli celkovou entalpii reakce.
- V našem případě je konečným produktem voda, která má specifické teplo cca. 4,2 joulů/gram ° C.
Krok 4. Najděte rozdíl v teplotě poté, co reakce proběhne
Dále najdeme T, změnu teploty před a po reakci. Odečtěte počáteční teplotu reakce (nebo T1) od konečné teploty po reakci (nebo T2) pro její výpočet. Jako ve většině chemických prací se používá teplota Kelvin (K) (ačkoli Celsius (C) dá stejný výsledek).
-
Pro náš příklad řekněme, že počáteční teplota reakce je 185 K, ale po dokončení reakce se ochladí na 95 K. V tomto problému se T vypočítá následovně:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 tis
Krok 5. K vyřešení použijte vzorec H = m x s x T
Pokud máte m, hmotnost reaktantů, s, měrné teplo produktů a T, změnu teploty reakce, pak jste připraveni najít entalpii reakce. Připojte své hodnoty do vzorce H = m x s x T a vynásobením vyřešte. Vaše odpověď je napsána v energetických jednotkách, konkrétně v Joulech (J).
-
Pro náš příklad je entalpie reakce:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13,608 J
Krok 6. Zjistěte, zda vaše reakce přijímá nebo ztrácí energii
Jedním z nejčastějších důvodů pro výpočet H pro různé reakce je určit, zda je reakce exotermická (ztrácí energii a uvolňuje teplo) nebo endotermická (získává energii a absorbuje teplo). Pokud je znaménko vaší konečné odpovědi pro H kladné, pak je reakce endotermická. Mezitím, pokud je znaménko negativní, je reakce exotermická. Čím větší je číslo, tím větší je exo- nebo endotermická reakce. Buďte opatrní se silnými exotermickými reakcemi - někdy uvolňují velké množství energie, která, pokud se uvolní velmi rychle, může způsobit výbuch.
V našem případě je konečná odpověď -13608J. Protože je znaménko záporné, víme, že naše reakce je exotermický. To dává smysl - H2 a O.2 je plyn, zatímco H2O, produkt, je kapalina. Horký plyn (ve formě páry) musí uvolňovat energii do prostředí ve formě tepla, aby se ochladil za vzniku kapaliny, tj. Reakce za vzniku H2O je exotermický.
Metoda 2 ze 3: Odhad velikosti entalpie
Krok 1. Pomocí energií vazeb odhadněte entalpii
Téměř všechny chemické reakce zahrnují vznik nebo přerušení vazeb mezi atomy. Jelikož v chemických reakcích nelze energii zničit ani vytvořit, pokud známe množství energie potřebné k vytvoření nebo rozbití vazeb v reakci, můžeme odhadnout změnu entalpie pro celkovou reakci s vysokou mírou přesnosti sečtením těchto vazeb energie.
-
Například reakce používá H2 + F2 → 2HF. V této rovnici je energie potřebná k rozbití atomů H v molekule H. je2 je 436 kJ/mol, zatímco energie potřebná pro F2 je 158 kJ/mol. Nakonec energie potřebná k vytvoření HF z H a F je = -568 kJ/mol. Násobíme 2, protože součin v rovnici je 2 HF, takže to je 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Když je všechny sečteme, dostaneme:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Krok 2. Pomocí entalpie tvorby odhadněte entalpii
Entalpie tvorby je soubor hodnot H, který představuje změnu entalpie reakce za vzniku chemické látky. Pokud znáte entalpii tvorby potřebnou k produkci produktů a reaktantů v rovnici, můžete je sečíst a odhadnout entalpii jako energie vazeb popsané výše.
-
Rovnice například používala C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. V této rovnici víme, že entalpie tvorby pro následující reakci je:
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
Protože tyto rovnice můžeme sečíst a získat C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, z reakce, kterou se pokoušíme najít entalpii, stačí pouze sečíst entalpii reakce tvorby výše, abychom našli entalpii této reakce, a to následovně:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Krok 3. Při obrácení rovnice nezapomeňte změnit znaménko
Je důležité si uvědomit, že když používáte entalpii formace k výpočtu entalpie reakce, musíte změnit znaménko entalpie tvorby vždy, když obrátíte rovnici reakce prvků. Jinými slovy, pokud invertujete jednu nebo více svých rovnic pro vytvoření reakce, aby se produkty a reaktanty navzájem rušily, změňte znaménko entalpie reakční formace, kterou vyměňujete.
Ve výše uvedeném příkladu si všimněte, že reakční formace, kterou jsme použili pro C2H5OH vzhůru nohama. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 ukázat C.2H5OH je rozděleno, netvoří se. Protože jsme tuto rovnici obrátili tak, aby se produkty a reaktanty navzájem rušily, změnili jsme znaménko entalpie tvorby na 228 kJ/mol. Ve skutečnosti entalpie tvorby pro C2H5OH je -228 kJ/mol.
Metoda 3 ze 3: Pozorování změny entalpie v experimentech
Krok 1. Vezměte čistou nádobu a naplňte ji vodou
Je snadné vidět princip entalpie pomocí jednoduchého experimentu. Abyste zajistili, že vaše experimentální reakce nebude kontaminována vnějšími látkami, vyčistěte a sterilizujte nádoby, které hodláte použít. Vědci používají k měření entalpie speciální uzavřené nádoby zvané kalorimetry, ale dobrých výsledků můžete dosáhnout s jakoukoli sklenicí nebo malou zkumavkou. Ať už používáte jakoukoli nádobu, naplňte ji čistou vodou pokojové teploty. Měli byste také experimentovat v místnosti s nízkou teplotou.
K tomuto experimentu budete potřebovat docela malý kontejner. Zkoumáme vliv entalpické změny Alka-Seltzer na vodu, takže čím méně vody použijete, tím výraznější bude změna teploty
Krok 2. Vložte teploměr do nádoby
Vezměte teploměr a vložte jej do nádoby tak, aby byl konec teploměru pod vodou. Odečtěte teplotu vody - pro naše účely je teplota vody označena T1, počáteční teplotou reakce.
Řekněme, že měříme teplotu vody a výsledkem je 10 stupňů C. V několika krocích použijeme tato teplotní měření k prokázání principu entalpie
Krok 3. Přidejte do nádoby jeden Alka-Seltzer
Až budete připraveni zahájit experiment, pusťte Alka-Seltzer do vody. Okamžitě si všimnete, že zrno bublá a syčí. Když se kuličky rozpustí ve vodě, rozpadnou se na chemický hydrogenuhličitan (HCO.).3-) a kyselina citrónová (která reaguje ve formě vodíkových iontů, H+). Tyto chemikálie reagují za vzniku vody a plynného oxidu uhličitého v rovnici 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Krok 4. Po dokončení reakce změřte teplotu
Sledujte, jak reakce pokračuje - granule Alka -Seltzer se pomalu rozpouštějí. Jakmile reakce zrna skončí (nebo se zpomalila), změřte teplotu znovu. Voda by měla být chladnější než dříve. Pokud je teplejší, experiment může být ovlivněn vnějšími silami (například pokud je místnost, ve které jste, teplá).
Pro náš experimentální příklad řekněme, že teplota vody je 8 stupňů C poté, co zrna přestanou šumět
Krok 5. Odhadněte entalpii reakce
V ideálním experimentu, když upustíte zrno Alka-Seltzer do vody, vytvoří vodu a plynný oxid uhličitý (plyn lze pozorovat jako syčící bublinu) a způsobí pokles teploty vody. Z těchto informací usuzujeme, že reakce je endotermická - to znamená, že absorbuje energii z okolního prostředí. Rozpuštěné kapalné reaktanty vyžadují další energii k výrobě plynného produktu, takže absorbují energii ve formě tepla z okolí (v tomto experimentu voda). To způsobí pokles teploty vody.
