I alla kemiska reaktioner kan värme tas emot från omgivningen eller släppas ut i omgivningen. Värmeväxlingen mellan en kemisk reaktion och dess omgivning är känd som reaktionens entalpi, eller H. Men H kan inte mätas direkt - istället använder forskare förändringen i temperatur av en reaktion över tid för att hitta förändringen i entalpi över tid (skrivet som H). Med H kan en forskare avgöra om en reaktion avger värme (eller är "exoterm") eller tar emot värme (eller är "endoterm"). I allmänhet, H = m x s x T, där m är massan av reaktanterna, s är produkternas specifika värme och T är förändringen av temperaturen i reaktionen.
Steg
Metod 1 av 3: Lösning av entalpiproblem
Steg 1. Bestäm reaktionen för dina produkter och reaktanter
Varje kemisk reaktion innefattar två kemiska kategorier - produkter och reaktanter. Produkter är kemiska ämnen som härrör från reaktioner, medan reaktanter är kemiska ämnen som kombineras eller delas för att producera produkter. Med andra ord är reaktanterna i en reaktion som ingredienserna i ett livsmedelsrecept, medan produkterna är den färdiga maten. För att hitta H för en reaktion, identifiera först produkterna och reaktanterna.
Till exempel, säg att vi kommer att hitta entalpin för reaktionen för bildandet av vatten från väte och syre: 2H2 (Väte) + O2 (Syre) → 2H2O (vatten). I denna ekvation, H2 och O2 är reaktanten och H2O är en produkt.
Steg 2. Bestäm den totala massan av reaktanterna
Hitta sedan massan av dina reaktanter. Om du inte känner till dess massa och inte kan väga den i vetenskaplig skala kan du använda dess molmassa för att hitta dess faktiska massa. Molmassa är en konstant som finns i det regelbundna periodiska systemet (för enskilda element) och andra kemiska källor (för molekyler och föreningar). Multiplicera bara molmassan för varje reaktant med antalet mol för att hitta massan av reaktanterna.
-
I vattenexemplet är våra reaktanter väte- och syregaser, som har molmassor på 2 g och 32 g. Eftersom vi använder 2 mol väte (att döma av koefficienten 2 i H2) och 1 mol syre (att döma av frånvaron av koefficienter i O2) kan vi beräkna den totala massan av reaktanterna enligt följande:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Steg 3. Hitta den specifika värmen för din produkt
Hitta sedan den specifika värmen för produkten du analyserar. Varje element eller molekyl har en specifik specifik värme: detta värde är en konstant och finns vanligtvis i kemiinlärningsresurser (till exempel i tabellen längst bak i en kemi -lärobok). Det finns olika sätt att beräkna specifik värme, men för formeln vi använder använder vi enheten Joule/gram ° C.
- Observera att om din ekvation har flera produkter måste du beräkna entalpin för reaktionerna hos elementen som används för att producera varje produkt och sedan lägga till dem för att hitta den totala entalpin för reaktionen.
- I vårt exempel är slutprodukten vatten, som har en specifik värme på ca. 4,2 joule/gram ° C.
Steg 4. Hitta temperaturskillnaden efter att reaktionen inträffat
Därefter hittar vi T, temperaturförändringen före och efter reaktionen. Subtrahera utgångstemperaturen för reaktionen (eller T1) från den slutliga temperaturen efter reaktionen (eller T2) för att beräkna den. Som i de flesta kemiska arbeten används Kelvin (K) -temperaturen (även om Celsius (C) ger samma resultat).
-
För vårt exempel, låt oss säga att initialtemperaturen för reaktionen är 185K men kyls till 95K när reaktionen är klar. I detta problem beräknas T enligt följande:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Steg 5. Använd formeln H = m x s x T för att lösa
Om du har m, massan av reaktanterna, s, produktens specifika värme och T, förändringen i reaktionstemperaturen, är du redo att hitta reaktionens entalpi. Anslut dina värden till formeln H = m x s x T och multiplicera för att lösa. Ditt svar är skrivet i energienheter, nämligen Joules (J).
-
För vårt exempelproblem är reaktionens entalpi:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Steg 6. Bestäm om din reaktion tar emot eller tappar energi
En av de vanligaste orsakerna till att beräkna H för olika reaktioner är att avgöra om reaktionen är exoterm (förlorar energi och avger värme) eller endotermisk (får energi och absorberar värme). Om tecknet på ditt slutliga svar för H är positivt, är reaktionen endoterm. Samtidigt, om tecknet är negativt, är reaktionen exoterm. Ju större antal, desto större exo- eller endoterm reaktion. Var försiktig med starka exoterma reaktioner - de släpper ibland ut stora mängder energi, som om de släpps ut mycket snabbt kan orsaka en explosion.
I vårt exempel är det slutliga svaret -13608J. Eftersom tecknet är negativt, vet vi att vår reaktion är exotermisk. Det här är vettigt - H2 och O.2 är en gas, medan H2O, produkten, är en vätska. Den heta gasen (i form av ånga) måste släppa ut energi till miljön i form av värme, för att kyla ner den för att bilda en vätska, det vill säga reaktionen för att bilda H2O är exoterm.
Metod 2 av 3: Uppskattning av Enthalpy Size
Steg 1. Använd bindningsenergier för att uppskatta entalpin
Nästan alla kemiska reaktioner innebär bildande eller brytning av bindningar mellan atomer. Eftersom energi i kemiska reaktioner inte kan förstöras eller skapas, om vi vet hur mycket energi som krävs för att bilda eller bryta bindningar i en reaktion, kan vi uppskatta entalpiändringen för den totala reaktionen med en hög grad av noggrannhet genom att lägga till dessa bindningar energier.
-
Till exempel använde reaktionen H2 + F2 → 2HF. I denna ekvation är energin som krävs för att bryta ner H -atomerna i H. -molekylen2 är 436 kJ/mol, medan energin som krävs för F2 är 158 kJ/mol. Slutligen är energin som krävs för att bilda HF från H och F = -568 kJ/mol. Vi multiplicerar med 2 eftersom produkten i ekvationen är 2 HF, så det är 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Om vi lägger ihop dem alla får vi:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Steg 2. Använd bildningens entalpi för att uppskatta entalpin
Bildningens entalpi är en uppsättning värden H som representerar entalpiändringen av en reaktion för att producera en kemisk substans. Om du känner till bildningens entalpi som krävs för att producera produkterna och reaktanterna i ekvationen kan du lägga till dem för att uppskatta entalpin som de bindningsenergier som beskrivs ovan.
-
Till exempel används ekvationen C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. I denna ekvation vet vi att bildningens entalpi för följande reaktion är:
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
Eftersom vi kan summera dessa ekvationer för att få C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, från reaktionen vi försöker hitta entalpin behöver vi bara lägga till entalpin i bildningsreaktionen ovan för att hitta entalpin för denna reaktion, enligt följande:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Steg 3. Glöm inte att ändra tecknet när du vänder ekvationen
Det är viktigt att notera att när du använder bildningens entalpi för att beräkna entalpin för en reaktion, måste du ändra tecknet på bildningens entalpi när du vänder ekvationen för elementens reaktion. Med andra ord, om du inverterar en eller flera av dina ekvationer för bildandet av en reaktion så att produkterna och reaktanterna avbryter varandra, ändra tecknet på entalpin för bildningsreaktionen du byter.
Notera i exemplet ovan att bildningsreaktionen vi använde för C2H5OH upp och ner. C2H5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 visa C2H5OH är splittrat, inte bildat. Eftersom vi vände denna ekvation så att produkterna och reaktanterna avbryter varandra ändrade vi tecknet på bildningens entalpi för att ge 228 kJ/mol. Faktum är att entalpin av bildning för C2H5OH är -228 kJ/mol.
Metod 3 av 3: Iakttagande av entalpiförändringen i experiment
Steg 1. Ta en ren behållare och fyll den med vatten
Det är lätt att se principen för entalpi med ett enkelt experiment. För att säkerställa att din experimentella reaktion inte är förorenad med yttre ämnen, rengör och sterilisera behållarna du tänker använda. Forskare använder speciella förseglade behållare som kallas kalorimetrar för att mäta entalpi, men du kan få bra resultat med alla glas eller små provrör. Oavsett behållare du använder, fyll den med rent vatten vid rumstemperatur. Du bör också experimentera i ett rum med kall temperatur.
För detta experiment behöver du en ganska liten behållare. Vi kommer att undersöka effekten av entalpiförändringen av Alka-Seltzer på vatten, så ju mindre vatten du använder, desto mer uttalad blir temperaturförändringen
Steg 2. Sätt in termometern i behållaren
Ta en termometer och ställ den i behållaren så att spetsen på termometern ligger under vattnet. Läs vattentemperaturen - för våra ändamål betecknas vattnets temperatur med T1, reaktionens initialtemperatur.
Låt oss säga att vi mäter vattentemperaturen och resultatet är 10 grader C. I några steg kommer vi att använda dessa temperaturavläsningar för att bevisa principen för entalpi
Steg 3. Lägg till en Alka-Seltzer i behållaren
När du är redo att starta experimentet, släpp en Alka-Seltzer i vattnet. Du kommer direkt att märka att kornet bubblar och väser. När pärlorna löses upp i vatten bryts de ner i det kemiska bikarbonatet (HCO.).3-) och citronsyra (som reagerar i form av vätejoner, H+). Dessa kemikalier reagerar för att bilda vatten och koldioxidgas i ekvationen 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Steg 4. Mät temperaturen när reaktionen är klar
Se hur reaktionen fortskrider - Alka -Seltzer -granulaten löser sig långsamt. Så snart kornreaktionen slutar (eller har avtagit), mäta temperaturen igen. Vattnet ska vara kallare än tidigare. Om det är varmare kan experimentet påverkas av yttre krafter (till exempel om rummet du är i är varmt).
För vårt experimentella exempel, låt oss säga att vattentemperaturen är 8 grader C efter att kornen slutat fibrera
Steg 5. Uppskatta reaktionens entalpi
I ett idealiskt experiment, när du tappar en Alka-Seltzer-korn i vatten, bildar den vatten och koldioxidgas (gasen kan observeras som en väsande bubbla) och får vattnet att sjunka. Av denna information antar vi att reaktionen är endotermisk - det vill säga den absorberar energi från den omgivande miljön. De upplösta flytande reaktanterna kräver ytterligare energi för att producera en gasformig produkt, så de absorberar energi i form av värme från omgivningen (i detta experiment, vatten). Detta gör att vattentemperaturen sjunker.
