Σε όλες τις χημικές αντιδράσεις, η θερμότητα μπορεί να ληφθεί από το περιβάλλον ή να απελευθερωθεί στο περιβάλλον. Η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ μιας χημικής αντίδρασης και του περιβάλλοντός της είναι γνωστή ως ενθαλπία της αντίδρασης ή Η. Ωστόσο, το Η δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα - αντίθετα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τη μεταβολή της θερμοκρασίας μιας αντίδρασης με την πάροδο του χρόνου για να βρουν την αλλαγή στην ενθαλπία με την πάροδο του χρόνου (γραμμένο ως Η). Με το Η, ένας επιστήμονας μπορεί να καθορίσει εάν μια αντίδραση εκπέμπει θερμότητα (ή είναι "εξώθερμη") ή λαμβάνει θερμότητα (ή είναι "ενδόθερμη"). Γενικά, H = m x s x T, όπου m είναι η μάζα των αντιδρώντων, s είναι η ειδική θερμότητα των προϊόντων και T είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας στην αντίδραση.
Βήμα
Μέθοδος 1 από 3: Επίλυση προβλημάτων ενθαλπίας
Βήμα 1. Προσδιορίστε την αντίδραση των προϊόντων και των αντιδραστηρίων σας
Κάθε χημική αντίδραση περιλαμβάνει δύο χημικές κατηγορίες - προϊόντα και αντιδρώντα. Τα προϊόντα είναι χημικές ουσίες που προκύπτουν από αντιδράσεις, ενώ τα αντιδρώντα είναι χημικές ουσίες που συνδυάζονται ή διασπώνται για να παράγουν προϊόντα. Με άλλα λόγια, τα αντιδραστήρια μιας αντίδρασης είναι σαν τα συστατικά μιας συνταγής τροφίμων, ενώ τα προϊόντα είναι το τελικό φαγητό. Για να βρείτε το Η μιας αντίδρασης, πρώτα προσδιορίστε τα προϊόντα και τα αντιδρώντα.
Για παράδειγμα, ας πούμε ότι θα βρούμε την ενθαλπία της αντίδρασης για το σχηματισμό νερού από υδρογόνο και οξυγόνο: 2Η2 (Υδρογόνο) + Ο2 (Οξυγόνο) → 2Η2Ο (Νερό). Σε αυτήν την εξίσωση, Η2 και Ο2 είναι το αντιδρών και και Η2Ο είναι ένα προϊόν.
Βήμα 2. Προσδιορίστε τη συνολική μάζα των αντιδρώντων
Στη συνέχεια, βρείτε τη μάζα των αντιδραστηρίων σας. Εάν δεν γνωρίζετε τη μάζα του και δεν μπορείτε να το ζυγίσετε σε επιστημονική κλίμακα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη μοριακή του μάζα για να βρείτε την πραγματική του μάζα. Η μοριακή μάζα είναι μια σταθερά που μπορεί να βρεθεί στον κανονικό περιοδικό πίνακα (για μεμονωμένα στοιχεία) και σε άλλες χημικές πηγές (για μόρια και ενώσεις). Απλώς πολλαπλασιάστε τη γραμμομοριακή μάζα κάθε αντιδρώντος με τον αριθμό των γραμμομορίων για να βρείτε τη μάζα των αντιδρώντων.
-
Στο παράδειγμα του νερού, τα αντιδραστήρια μας είναι αέρια υδρογόνου και οξυγόνου, τα οποία έχουν γραμμομοριακές μάζες 2 g και 32 g. Δεδομένου ότι χρησιμοποιούμε 2 γραμμομόρια υδρογόνου (κρίνοντας από τον συντελεστή 2 σε Η2) και 1 γραμμομόριο οξυγόνου (κρίνοντας από την απουσία συντελεστών στο Ο2), μπορούμε να υπολογίσουμε τη συνολική μάζα των αντιδρώντων ως εξής:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 γρ
Βήμα 3. Βρείτε τη συγκεκριμένη θερμότητα του προϊόντος σας
Στη συνέχεια, βρείτε τη συγκεκριμένη θερμότητα του προϊόντος που αναλύετε. Κάθε στοιχείο ή μόριο έχει μια συγκεκριμένη συγκεκριμένη θερμότητα: αυτή η τιμή είναι μια σταθερά και συνήθως βρίσκεται στους πόρους εκμάθησης χημείας (για παράδειγμα, στον πίνακα στο πίσω μέρος ενός σχολικού βιβλίου χημείας). Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τον υπολογισμό της συγκεκριμένης θερμότητας, αλλά για τον τύπο που χρησιμοποιούμε, χρησιμοποιούμε τη μονάδα Joule/gram ° C.
- Σημειώστε ότι εάν η εξίσωση σας έχει πολλά προϊόντα, θα πρέπει να υπολογίσετε την ενθαλπία για τις αντιδράσεις των στοιχείων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κάθε προϊόντος και, στη συνέχεια, να τα προσθέσετε για να βρείτε τη συνολική ενθαλπία της αντίδρασης.
- Στο παράδειγμά μας, το τελικό προϊόν είναι το νερό, το οποίο έχει συγκεκριμένη θερμότητα περίπου. 4,2 joules/γραμμάριο C.
Βήμα 4. Βρείτε τη διαφορά θερμοκρασίας μετά την εμφάνιση της αντίδρασης
Στη συνέχεια, θα βρούμε το Τ, τη μεταβολή της θερμοκρασίας πριν και μετά την αντίδραση. Αφαιρέστε την αρχική θερμοκρασία της αντίδρασης (ή Τ1) από την τελική θερμοκρασία μετά την αντίδραση (ή Τ2) για να την υπολογίσετε. Όπως και στις περισσότερες χημικές εργασίες, χρησιμοποιείται η θερμοκρασία Kelvin (K) (αν και ο Κελσίου (C) θα δώσει το ίδιο αποτέλεσμα).
-
Για το παράδειγμά μας, ας πούμε ότι η αρχική θερμοκρασία της αντίδρασης είναι 185Κ αλλά ψύχεται στα 95Κ όταν ολοκληρωθεί η αντίδραση. Σε αυτό το πρόβλημα, το Τ υπολογίζεται ως εξής:
Τ = Τ2 - Τ1 = 95Κ - 185Κ = - 90Κ
Βήμα 5. Χρησιμοποιήστε τον τύπο H = m x s x T για επίλυση
Εάν έχετε m, τη μάζα των αντιδρώντων, s, τη συγκεκριμένη θερμότητα των προϊόντων και T, τη μεταβολή της θερμοκρασίας της αντίδρασης, τότε είστε έτοιμοι να βρείτε την ενθαλπία της αντίδρασης. Συνδέστε τις τιμές σας στον τύπο H = m x s x T και πολλαπλασιάστε για επίλυση. Η απάντησή σας είναι γραμμένη σε ενεργειακές μονάδες, δηλαδή Joules (J).
-
Για το πρόβλημά μας, η ενθαλπία της αντίδρασης είναι:
H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Βήμα 6. Προσδιορίστε αν η αντίδρασή σας λαμβάνει ή χάνει ενέργεια
Ένας από τους πιο συνηθισμένους λόγους υπολογισμού του Η για διάφορες αντιδράσεις είναι να προσδιοριστεί εάν η αντίδραση είναι εξώθερμη (χάνει ενέργεια και απελευθερώνει θερμότητα) ή ενδόθερμη (αποκτά ενέργεια και απορροφά θερμότητα). Εάν το πρόσημο της τελικής απάντησής σας για H είναι θετικό, τότε η αντίδραση είναι ενδόθερμη. Εν τω μεταξύ, εάν το πρόσημο είναι αρνητικό, η αντίδραση είναι εξώθερμη. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός, τόσο μεγαλύτερη είναι η εξω- ή ενδόθερμη αντίδραση. Να είστε προσεκτικοί με έντονες εξώθερμες αντιδράσεις - μερικές φορές απελευθερώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, οι οποίες, αν απελευθερωθούν πολύ γρήγορα, μπορούν να προκαλέσουν έκρηξη.
Στο παράδειγμά μας, η τελική απάντηση είναι -13608J. Δεδομένου ότι το πρόσημο είναι αρνητικό, γνωρίζουμε ότι η αντίδρασή μας είναι εξώθερμος Το Αυτό έχει νόημα - Χ2 και Ο2 είναι αέριο, ενώ το Η2Ο, το προϊόν, είναι ένα υγρό. Το θερμό αέριο (με τη μορφή ατμού) πρέπει να απελευθερώσει ενέργεια στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας, για να ψυχθεί για να σχηματίσει ένα υγρό, δηλαδή την αντίδραση για να σχηματίσει Η2Ο είναι εξώθερμος.
Μέθοδος 2 από 3: Εκτίμηση του μεγέθους της ενθαλπίας
Βήμα 1. Χρησιμοποιήστε ενέργειες δεσμών για να εκτιμήσετε την ενθαλπία
Σχεδόν όλες οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν το σχηματισμό ή το σπάσιμο των δεσμών μεταξύ των ατόμων. Δεδομένου ότι στις χημικές αντιδράσεις, η ενέργεια δεν μπορεί να καταστραφεί ή να δημιουργηθεί, αν γνωρίζουμε την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να σχηματίσει ή να σπάσει δεσμούς σε μια αντίδραση, μπορούμε να εκτιμήσουμε την αλλαγή ενθαλπίας για τη συνολική αντίδραση με υψηλό βαθμό ακρίβειας προσθέτοντας αυτούς τους δεσμούς ενεργειών.
-
Για παράδειγμα, η αντίδραση που χρησιμοποιήθηκε Η2 + F2 → 2HF. Σε αυτήν την εξίσωση, η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση των ατόμων Η στο μόριο Η είναι2 είναι 436 kJ/mol, ενώ η ενέργεια που απαιτείται για το F2 είναι 158 kJ/mol. Τέλος, η ενέργεια που απαιτείται για να σχηματιστεί HF από H και F είναι = -568 kJ/mol. Πολλαπλασιάζουμε με 2 επειδή το γινόμενο στην εξίσωση είναι 2 HF, άρα είναι 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Προσθέτοντας τα όλα μαζί, έχουμε:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Βήμα 2. Χρησιμοποιήστε την ενθαλπία σχηματισμού για να εκτιμήσετε την ενθαλπία
Η ενθαλπία σχηματισμού είναι ένα σύνολο τιμών Η που αντιπροσωπεύει την αλλαγή ενθαλπίας μιας αντίδρασης για την παραγωγή μιας χημικής ουσίας. Εάν γνωρίζετε την ενθαλπία σχηματισμού που απαιτείται για την παραγωγή των προϊόντων και των αντιδρώντων στην εξίσωση, μπορείτε να τα προσθέσετε για να εκτιμήσετε την ενθαλπία όπως οι ενέργειες δεσμών που περιγράφονται παραπάνω.
-
Για παράδειγμα, η εξίσωση που χρησιμοποιείται C2Η5OH + 3O2 CO 2CO2 + 3Η2Ο. Σε αυτήν την εξίσωση, γνωρίζουμε ότι η ενθαλπία σχηματισμού για την ακόλουθη αντίδραση είναι:
ντο2Η5OH → 2C + 3H2 +0,5Ο2 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 CO 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3Η2 +1,5 Ο2 → 3Η2Ο = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Αφού μπορούμε να αθροίσουμε αυτές τις εξισώσεις για να πάρουμε το C2Η5OH + 3O2 CO 2CO2 + 3Η2Ω, από την αντίδραση που προσπαθούμε να βρούμε την ενθαλπία, χρειάζεται μόνο να προσθέσουμε την ενθαλπία της αντίδρασης του σχηματισμού παραπάνω για να βρούμε την ενθαλπία αυτής της αντίδρασης, ως εξής:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Βήμα 3. Μην ξεχάσετε να αλλάξετε το πρόσημο όταν αντιστρέφετε την εξίσωση
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι όταν χρησιμοποιείτε την ενθαλπία σχηματισμού για να υπολογίσετε την ενθαλπία μιας αντίδρασης, πρέπει να αλλάζετε το πρόσημο της ενθαλπίας σχηματισμού όποτε αντιστρέφετε την εξίσωση για την αντίδραση των στοιχείων. Με άλλα λόγια, αν αντιστρέψετε μία ή περισσότερες από τις εξισώσεις σας για το σχηματισμό μιας αντίδρασης έτσι ώστε τα προϊόντα και τα αντιδραστήρια να ακυρώνονται μεταξύ τους, αλλάξτε το πρόσημο της ενθαλπίας της αντίδρασης σχηματισμού που αλλάζετε.
Στο παραπάνω παράδειγμα, σημειώστε ότι η αντίδραση σχηματισμού που χρησιμοποιήσαμε για το C2Η5OH ανάποδα. ντο2Η5OH → 2C + 3H2 +0,5Ο2 δείχνουν Γ2Η5Το OH διασπάται, δεν σχηματίζεται. Εφόσον αντιστρέψαμε αυτήν την εξίσωση έτσι ώστε τα προϊόντα και τα αντιδραστήρια να ακυρώνονται το ένα το άλλο, αλλάξαμε το πρόσημο της ενθαλπίας σχηματισμού σε 228 kJ/mol. Στην πραγματικότητα, η ενθαλπία σχηματισμού για το C2Η5Η ΟΗ είναι -228 kJ/mol.
Μέθοδος 3 από 3: Παρατήρηση της αλλαγής ενθαλπίας στα πειράματα
Βήμα 1. Πάρτε ένα καθαρό δοχείο και γεμίστε το με νερό
Είναι εύκολο να δούμε την αρχή της ενθαλπίας με ένα απλό πείραμα. Για να διασφαλίσετε ότι η πειραματική σας αντίδραση δεν έχει μολυνθεί με εξωτερικές ουσίες, καθαρίστε και αποστειρώστε τα δοχεία που σκοπεύετε να χρησιμοποιήσετε. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ειδικά σφραγισμένα δοχεία που ονομάζονται θερμιδόμετρα για τη μέτρηση της ενθαλπίας, αλλά μπορείτε να έχετε καλά αποτελέσματα με οποιοδήποτε γυάλινο ή μικρό δοκιμαστικό σωλήνα. Όποιο δοχείο και αν χρησιμοποιήσετε, γεμίστε το με καθαρό νερό, σε θερμοκρασία δωματίου. Θα πρέπει επίσης να πειραματιστείτε σε ένα δωμάτιο με χαμηλή θερμοκρασία.
Για αυτό το πείραμα, θα χρειαστείτε ένα αρκετά μικρό δοχείο. Θα εξετάσουμε την επίδραση της αλλαγής ενθαλπίας του Alka-Seltzer στο νερό, οπότε όσο λιγότερο νερό χρησιμοποιείτε, τόσο πιο έντονη θα είναι η αλλαγή θερμοκρασίας
Βήμα 2. Τοποθετήστε το θερμόμετρο στο δοχείο
Πάρτε ένα θερμόμετρο και τοποθετήστε το στο δοχείο έτσι ώστε η άκρη του θερμόμετρου να είναι κάτω από το νερό. Διαβάστε τη θερμοκρασία του νερού - για τους σκοπούς μας, η θερμοκρασία του νερού συμβολίζεται με Τ1, την αρχική θερμοκρασία της αντίδρασης.
Ας πούμε ότι μετράμε τη θερμοκρασία του νερού και το αποτέλεσμα είναι 10 βαθμοί C. Σε λίγα βήματα, θα χρησιμοποιήσουμε αυτές τις μετρήσεις θερμοκρασίας για να αποδείξουμε την αρχή της ενθαλπίας
Βήμα 3. Προσθέστε ένα Alka-Seltzer στο δοχείο
Όταν είστε έτοιμοι να ξεκινήσετε το πείραμα, ρίξτε ένα Alka-Seltzer στο νερό. Θα παρατηρήσετε αμέσως ότι ο κόκκος αναβλύζει και σφυρίζει. Όταν τα σφαιρίδια διαλύονται στο νερό, διασπώνται σε χημικό όξινο ανθρακικό (HCO.).3-) και κιτρικό οξύ (το οποίο αντιδρά με τη μορφή ιόντων υδρογόνου, Η+). Αυτά τα χημικά αντιδρούν για να σχηματίσουν νερό και αέριο διοξείδιο του άνθρακα στην εξίσωση 3HCO3− + 3Η+ → 3Η2O + 3CO2.
Βήμα 4. Μετρήστε τη θερμοκρασία όταν ολοκληρωθεί η αντίδραση
Παρακολουθήστε την εξέλιξη της αντίδρασης - οι κόκκοι Alka -Seltzer θα διαλυθούν αργά. Μόλις τελειώσει η αντίδραση κόκκων (ή επιβραδυνθεί), μετρήστε ξανά τη θερμοκρασία. Το νερό πρέπει να είναι πιο κρύο από πριν. Εάν είναι πιο ζεστό, το πείραμα μπορεί να επηρεαστεί από εξωτερικές δυνάμεις (για παράδειγμα, εάν το δωμάτιο που βρίσκεστε είναι ζεστό).
Για το πειραματικό μας παράδειγμα, ας πούμε ότι η θερμοκρασία του νερού είναι 8 βαθμοί C αφού σταματήσουν να λιώνουν οι κόκκοι
Βήμα 5. Υπολογίστε την ενθαλπία της αντίδρασης
Σε ένα ιδανικό πείραμα, όταν ρίχνετε έναν κόκκο Alka-Seltzer στο νερό, σχηματίζει νερό και αέριο διοξείδιο του άνθρακα (το αέριο μπορεί να παρατηρηθεί ως φούσκα που σφυρίζει) και προκαλεί πτώση της θερμοκρασίας του νερού. Από αυτές τις πληροφορίες, υποθέτουμε ότι η αντίδραση είναι ενδόθερμη - δηλαδή απορροφά ενέργεια από το περιβάλλον περιβάλλον. Τα διαλυμένα υγρά αντιδραστήρια απαιτούν πρόσθετη ενέργεια για να παράγουν ένα αέριο προϊόν, έτσι απορροφούν ενέργεια με τη μορφή θερμότητας από το περιβάλλον (σε αυτό το πείραμα, νερό). Αυτό προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας του νερού.
