Kaikissa kemiallisissa reaktioissa lämpö voidaan vastaanottaa ympäristöstä tai vapauttaa ympäristöön. Lämmönvaihtoa kemiallisen reaktion ja sen ympäristön välillä kutsutaan reaktion entalpiaksi tai H: ksi. ajan mittaan (kirjoitettu H). H: n avulla tiedemies voi määrittää, luovuttaako reaktio lämpöä (tai on "eksoterminen") vai vastaanottaako se lämpöä (tai onko se "endoterminen"). Yleisesti, H = m x s x T., jossa m on reagoivien aineiden massa, s on tuotteiden ominaislämpö ja T on lämpötilan muutos reaktiossa.
Vaihe
Menetelmä 1/3: Entalpiaongelmien ratkaiseminen
Vaihe 1. Määritä tuotteidesi ja reagoivien aineiden reaktio
Kaikki kemialliset reaktiot sisältävät kaksi kemiallista luokkaa - tuotteet ja reagenssit. Tuotteet ovat kemiallisia aineita, jotka syntyvät reaktioista, kun taas reagoivat aineet ovat kemiallisia aineita, jotka yhdistyvät tai jakautuvat tuotteiden tuottamiseksi. Toisin sanoen reaktion reagoivat aineet ovat kuin ruokareseptin ainesosat, kun taas tuotteet ovat valmiita ruokia. Jos haluat löytää reaktion H, tunnista ensin tuotteet ja reagoivat aineet.
Oletetaan esimerkiksi, että löydämme reaktion entalpian veden muodostumiselle vedystä ja hapesta: 2H2 (Vety) + O2 (Happi) → 2H2O (Vesi). Tässä yhtälössä H2 ja O2 on reagenssi ja H2O on tuote.
Vaihe 2. Määritä reagoivien aineiden kokonaismassa
Etsi seuraavaksi reagoivien aineidesi massa. Jos et tiedä sen massaa ja et voi punnita sitä tieteellisessä mittakaavassa, voit käyttää sen moolimassaa todellisen massan löytämiseen. Moolimassa on vakio, joka löytyy säännöllisestä jaksollisesta taulukosta (yksittäisille elementeille) ja muista kemiallisista lähteistä (molekyyleille ja yhdisteille). Kerro vain jokaisen reagenssin moolimassa moolien lukumäärällä löytääksesi reagenssien massan.
-
Vesiesimerkissä reagenssimme ovat vety- ja happikaasut, joiden moolimassa on 2 g ja 32 g. Koska käytämme 2 moolia vetyä (kerroin 2 H: ssa2) ja 1 mooli happea (sen perusteella, että O: ssa ei ole kertoimia2), voimme laskea reagenssien kokonaismassan seuraavasti:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Vaihe 3. Etsi tuotteen erityinen lämpö
Etsi seuraavaksi analysoitavan tuotteen ominaislämpö. Jokaisella elementillä tai molekyylillä on tietty ominaislämpö: tämä arvo on vakio ja se löytyy yleensä kemian oppimisresursseista (esimerkiksi kemian oppikirjan takana olevasta taulukosta). On olemassa erilaisia tapoja laskea ominaislämpö, mutta käyttämässämme kaavassa käytetään yksikköä Joule/gramma ° C.
- Huomaa, että jos yhtälössäsi on useita tuotteita, sinun on laskettava entalpia kunkin tuotteen valmistuksessa käytettyjen alkuaineiden reaktioille ja lisättävä ne yhteen löytääksesi reaktion kokonaisentalpia.
- Esimerkissämme lopputuote on vesi, jonka ominaislämpö on n. 4,2 joulea/gramma ° C.
Vaihe 4. Etsi lämpötilaero reaktion jälkeen
Seuraavaksi löydämme T, lämpötilan muutos ennen ja jälkeen reaktion. Vähennä reaktion alkulämpötila (tai T1) reaktion jälkeisestä lopullisesta lämpötilasta (tai T2) sen laskemiseksi. Kuten useimmissa kemiallisissa töissä, käytetään Kelvinin (K) lämpötilaa (vaikka Celsius (C) antaa saman tuloksen).
-
Esimerkissämme oletetaan, että reaktion alkulämpötila on 185 K, mutta jäähtyy 95 K: een, kun reaktio on valmis. Tässä tehtävässä T lasketaan seuraavasti:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Vaihe 5. Ratkaise kaavalla H = m x s x T
Jos sinulla on m, reagoivien aineiden massa, s, tuotteiden ominaislämpö ja T, reaktion lämpötilan muutos, olet valmis löytämään reaktion entalpia. Liitä arvot kaavaan H = m x s x T ja kerro kertomalla ratkaistaksesi. Vastauksesi on kirjoitettu energiayksiköinä, nimittäin jouleina (J).
-
Esimerkkiongelmassamme reaktion entalpia on:
H = (36 g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90 K) = - 13608 J
Vaihe 6. Määritä, saako reaktio energiaa vai häviääkö se
Yksi yleisimmistä syistä H: n laskemiseksi eri reaktioille on määrittää, onko reaktio eksoterminen (menettää energiaa ja vapauttaa lämpöä) vai endoterminen (saa energiaa ja imee lämpöä). Jos viimeisen H -vastauksesi merkki on positiivinen, reaktio on endoterminen. Samaan aikaan, jos merkki on negatiivinen, reaktio on eksoterminen. Mitä suurempi luku, sitä suurempi ekso- tai endoterminen reaktio. Ole varovainen voimakkaiden eksotermisten reaktioiden kanssa - ne vapauttavat joskus suuria määriä energiaa, joka voi vapautua hyvin nopeasti ja aiheuttaa räjähdyksen.
Esimerkissämme lopullinen vastaus on -13608J. Koska merkki on negatiivinen, tiedämme, että reaktiomme on eksoterminen. Tässä on järkeä - H2 ja O.2 on kaasu, kun taas H2O, tuote on neste. Kuuman kaasun (höyryn muodossa) on vapautettava energiaa ympäristöön lämmön muodossa, jotta se jäähtyy nesteen muodostamiseksi, eli reaktio muodostaen H2O on eksoterminen.
Menetelmä 2/3: Entalpian koon arvioiminen
Vaihe 1. Arvioi entalpia sidosenergioilla
Lähes kaikkiin kemiallisiin reaktioihin liittyy sidosten muodostuminen tai katkeaminen atomien välillä. Koska kemiallisissa reaktioissa energiaa ei voida tuhota tai luoda, jos tiedämme reaktion sidosten muodostamiseen tai katkaisemiseen tarvittavan energian määrän, voimme arvioida kokonaisreaktion entalpiamuutoksen suurella tarkkuudella lisäämällä nämä sidokset yhteen energioita.
-
Esimerkiksi reaktiossa käytettiin H: ta2 + F2 → 2HF. Tässä yhtälössä energia, joka tarvitaan H -atomien hajottamiseen H. molekyylissä, on2 on 436 kJ/mol, kun taas F: lle tarvittava energia2 on 158 kJ/mol. Lopuksi energia, joka tarvitaan HF: n muodostamiseen H: sta ja F: stä, on = -568 kJ/mol. Kerrotaan 2: lla, koska yhtälön tuote on 2 HF, joten se on 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Kun kaikki lasketaan yhteen, saadaan:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Vaihe 2. Arvioi entalpia muodostumisen entalpialla
Muodostuksen entalpia on joukko arvoja H, joka edustaa reaktion entalpiamuutosta kemiallisen aineen tuottamiseksi. Jos tiedät muodostuksen entalpian, joka tarvitaan tuotteiden ja reagoivien aineiden tuottamiseen yhtälössä, voit lisätä ne entalpian arvioimiseksi kuten edellä kuvatut sidosenergiat.
-
Esimerkiksi yhtälö käytti C: tä2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Tässä yhtälössä tiedämme, että seuraavan reaktion muodostumisen entalpia on:
C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5 O2 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3H2 +1,5 O2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Koska voimme laskea yhteen nämä yhtälöt saadaksemme C: n2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, reaktiosta, jota yritämme löytää entalpian, meidän tarvitsee vain laskea yhteen yllä olevan muodostumisreaktion entalpia löytääksemme tämän reaktion entalpian seuraavasti:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Vaihe 3. Älä unohda muuttaa merkkiä kääntäessäsi yhtälöä
On tärkeää huomata, että kun käytät muodostumisen entalpiaa laskemaan reaktion entalpia, sinun on muutettava muodostumisen entalpiamerkki aina, kun käännät elementtien reaktion yhtälön. Toisin sanoen, jos käännät yhden tai useamman yhtälön reaktion muodostumista varten niin, että tuotteet ja reagenssit kumoavat toisensa, muuta vaihdettavan muodostumisreaktion entalpiamerkkiä.
Huomaa yllä olevassa esimerkissä, että muodostusreaktio, jota käytimme C: lle2H5Oi ylösalaisin. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5 O2 näytä C2H5OH on jaettu, ei muodostunut. Koska käänsimme tämän yhtälön niin, että tuotteet ja reagoivat aineet kumoavat toisensa, muutimme muodostumisen entalpiamerkin arvoksi 228 kJ/mol. Itse asiassa C: n muodostumisen entalpia2H5OH on -228 kJ/mol.
Tapa 3/3: Entalpiamuutoksen havaitseminen kokeissa
Vaihe 1. Ota puhdas astia ja täytä se vedellä
Entalpian periaate on helppo nähdä yksinkertaisella kokeella. Varmistaaksesi, että kokeellinen reaktiosi ei saastu ulkoisista aineista, puhdista ja steriloi käytettävät astiat. Tutkijat käyttävät entalpian mittaamiseen erityisiä suljettuja säiliöitä, joita kutsutaan kalorimetreiksi, mutta voit saada hyviä tuloksia millä tahansa lasilla tai pienellä koeputkella. Riippumatta käyttämästäsi astiasta, täytä se puhtaalla, huoneenlämpöisellä vedellä. Sinun tulisi myös kokeilla huoneessa, jossa on kylmä lämpötila.
Tätä kokeilua varten tarvitset melko pienen säiliön. Tutkimme Alka-Seltzerin entalpiamuutoksen vaikutusta veteen, joten mitä vähemmän vettä käytät, sitä voimakkaampi on lämpötilan muutos
Vaihe 2. Aseta lämpömittari astiaan
Ota lämpömittari ja aseta se astiaan niin, että lämpömittarin kärki on veden alla. Lue veden lämpötila - tarkoituksemme mukaan veden lämpötila on merkitty T1: llä, reaktion alkulämpötilalla.
Oletetaan, että mittaamme veden lämpötilan ja tulos on 10 astetta C. Muutamassa vaiheessa käytämme näitä lämpötilalukemia entalpiaperiaatteen todistamiseen
Vaihe 3. Lisää yksi Alka-Seltzer astiaan
Kun olet valmis aloittamaan kokeilun, pudota Alka-Seltzer veteen. Huomaat heti, että vilja kuplii ja suhisee. Kun helmet liukenevat veteen, ne hajoavat kemialliseksi bikarbonaatiksi (HCO.).3-) ja sitruunahappo (joka reagoi vetyionien muodossa, H+). Nämä kemikaalit reagoivat muodostaen vettä ja hiilidioksidikaasua yhtälössä 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Vaihe 4. Mittaa lämpötila, kun reaktio on valmis
Katso reaktion etenemistä - Alka -Seltzer -rakeet liukenevat hitaasti. Heti kun viljareaktio päättyy (tai on hidastunut), mittaa lämpötila uudelleen. Veden pitäisi olla kylmempää kuin ennen. Jos on lämpimämpää, ulkoiset voimat voivat vaikuttaa kokeeseen (esimerkiksi jos huone, jossa olet lämmin).
Kokeellisessa esimerkissä sanotaan, että veden lämpötila on 8 astetta C sen jälkeen, kun jyvät ovat lakanneet
Vaihe 5. Arvioi reaktion entalpia
Ihanteellisessa kokeessa, kun pudotat Alka-Seltzerin viljan veteen, siitä muodostuu vettä ja hiilidioksidikaasua (kaasu voidaan havaita sihisevänä kuplana) ja vesi laskee. Näiden tietojen perusteella arvaamme reaktion olevan endoterminen - eli se absorboi energiaa ympäröivästä ympäristöstä. Liuenneet nestemäiset reaktantit tarvitsevat lisäenergiaa kaasumaisen tuotteen tuottamiseksi, joten ne absorboivat energiaa lämmön muodossa ympäristöstä (tässä kokeessa vesi). Tämä aiheuttaa veden lämpötilan laskun.
