При всички химични реакции топлината може да се получава от околността или да се отделя в околността. Обменът на топлина между химична реакция и нейната среда е известен като енталпията на реакцията, или Н. Въпреки това, Н не може да бъде измерен директно - вместо това учените използват промяната в температурата на реакцията с течение на времето, за да намерят промяната в енталпията с течение на времето (написано като З). С H учен може да определи дали реакцията отделя топлина (или е "екзотермична") или получава топлина (или е "ендотермична"). Общо взето, H = m x s x T, където m е масата на реагентите, s е специфичната топлина на продуктите, а Т е промяната на температурата в реакцията.
Стъпка
Метод 1 от 3: Решаване на проблеми с енталпията
Стъпка 1. Определете реакцията на вашите продукти и реагенти
Всяка химическа реакция включва две химични категории - продукти и реагенти. Продуктите са химични вещества, които са резултат от реакции, докато реагентите са химични вещества, които се комбинират или разделят, за да произвеждат продукти. С други думи, реагентите на реакция са като съставките на хранителна рецепта, докато продуктите са готовата храна. За да намерите Н на реакцията, първо идентифицирайте продуктите и реагентите.
Например, да речем, че ще намерим енталпията на реакцията за образуване на вода от водород и кислород: 2H2 (Водород) + О2 (Кислород) → 2Н2O (вода). В това уравнение, З2 и О2 е реактантът и З2О е продукт.
Стъпка 2. Определете общата маса на реагентите
След това намерете масата на вашите реагенти. Ако не знаете масата му и не можете да я претеглите в научна скала, можете да използвате нейната моларна маса, за да намерите действителната й маса. Моларната маса е константа, която може да се намери в редовната периодична таблица (за единични елементи) и други химични източници (за молекули и съединения). Просто умножете моларната маса на всеки реагент по броя молове, за да намерите масата на реагентите.
-
В примера с вода нашите реагенти са водородни и кислородни газове, които имат моларни маси от 2 g и 32 g. Тъй като използваме 2 мола водород (съдейки по коефициента 2 в Н2) и 1 мол кислород (съдейки по липсата на коефициенти в О2), можем да изчислим общата маса на реагентите, както следва:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Стъпка 3. Намерете специфичната топлина на вашия продукт
След това намерете специфичната топлина на продукта, който анализирате. Всеки елемент или молекула има специфична специфична топлина: тази стойност е постоянна и обикновено се намира в учебните ресурси по химия (например в таблицата в задната част на учебника по химия). Има различни начини за изчисляване на специфичната топлина, но за формулата, която използваме, използваме единицата Джоул/грам ° C.
- Имайте предвид, че ако вашето уравнение има множество продукти, ще трябва да изчислите енталпията за реакциите на елементите, използвани за производството на всеки продукт, след което да ги добавите, за да намерите общата енталпия за реакцията.
- В нашия пример крайният продукт е вода, която има специфична топлина от прибл. 4,2 джаула/грам ° C.
Стъпка 4. Намерете разликата в температурата след настъпване на реакцията
След това ще открием Т, промяната в температурата преди и след реакцията. Извадете началната температура на реакцията (или Т1) от крайната температура след реакцията (или Т2), за да я изчислите. Както при повечето химически работи, се използва температурата на Келвин (К) (въпреки че Целзий (С) ще даде същия резултат).
-
За нашия пример, нека кажем, че началната температура на реакцията е 185K, но се охлажда до 95K, когато реакцията приключи. В този проблем T се изчислява, както следва:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 хиляди
Стъпка 5. Използвайте формулата H = m x s x T за решаване
Ако имате m, масата на реагентите, s, специфичната топлина на продуктите и T, промяната в температурата на реакцията, тогава сте готови да намерите енталпията на реакцията. Включете стойностите си във формулата H = m x s x T и умножете, за да решите. Вашият отговор е написан в енергийни единици, а именно Джоул (J).
-
За нашия примерен проблем енталпията на реакцията е:
H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13 608 Дж
Стъпка 6. Определете дали реакцията ви получава или губи енергия
Една от най -честите причини за изчисляване на Н за различни реакции е да се определи дали реакцията е екзотермична (губи енергия и отделя топлина) или ендотермична (набира енергия и абсорбира топлината). Ако знакът на вашия окончателен отговор за Н е положителен, тогава реакцията е ендотермична. Междувременно, ако знакът е отрицателен, реакцията е екзотермична. Колкото по-голям е броят, толкова по-голяма е екзо- или ендотермичната реакция. Внимавайте със силни екзотермични реакции - те понякога отделят голямо количество енергия, която, ако се освободи много бързо, може да причини експлозия.
В нашия пример крайният отговор е -13608J. Тъй като знакът е отрицателен, ние знаем, че нашата реакция е такава екзотермичен. Това има смисъл - З2 и О2 е газ, докато Н2О, продуктът, е течност. Горещият газ (под формата на пара) трябва да освобождава енергия в околната среда под формата на топлина, за да се охлади, за да образува течност, тоест реакцията за образуване на Н2O е екзотермичен.
Метод 2 от 3: Изчисляване на размера на енталпията
Стъпка 1. Използвайте енергиите на връзката, за да оцените енталпията
Почти всички химични реакции включват образуването или скъсването на връзки между атомите. Тъй като при химичните реакции енергията не може да бъде унищожена или създадена, ако знаем количеството енергия, необходимо за образуване или разкъсване на връзки в една реакция, можем да оценим промяната на енталпията за цялостната реакция с висока степен на точност, като добавим тези връзки енергии.
-
Например, реакцията използва Н2 + F2 → 2HF. В това уравнение енергията, необходима за разграждането на атомите Н в молекулата на Н, е2 е 436 kJ/mol, докато енергията, необходима за F2 е 158 kJ/mol. И накрая, енергията, необходима за образуване на HF от H и F, е = -568 kJ/mol. Умножаваме по 2, защото продуктът в уравнението е 2 HF, така че това е 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Като ги добавим заедно, получаваме:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Стъпка 2. Използвайте енталпията на формацията, за да оцените енталпията
Енталпията на образуването е набор от стойности Н, който представлява промяната в енталпията на реакцията за получаване на химическо вещество. Ако знаете енталпията на образуването, необходима за производството на продуктите и реагентите в уравнението, можете да ги добавите, за да оцените енталпията като енергиите на връзката, описани по -горе.
-
Например, уравнението използва C2З5OH + 3O2 → 2CO2 + 3Н2О. В това уравнение знаем, че енталпията на образуването за следната реакция е:
° С2З5OH → 2C + 3H2 +0,502 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3H2 +1,5 О2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Тъй като можем да сумираме тези уравнения, за да получим C2З5OH + 3O2 → 2CO2 + 3Н2О, от реакцията, която се опитваме да намерим енталпията, трябва само да добавим енталпията на реакцията на образуване по -горе, за да намерим енталпията на тази реакция, както следва:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Стъпка 3. Не забравяйте да промените знака при обръщане на уравнението
Важно е да се отбележи, че когато използвате енталпията на образуването, за да изчислите енталпията на реакцията, трябва да промените знака на енталпията на образуването, когато обръщате уравнението за реакцията на елементите. С други думи, ако обърнете едно или повече от вашите уравнения за образуване на реакция, така че продуктите и реагентите да се отменят, променете знака на енталпията на реакцията на образуване, която заменяте.
В горния пример, обърнете внимание, че реакцията на образуване, която използвахме за C2З5О, с главата надолу. ° С2З5OH → 2C + 3H2 +0,502 шоу C2З5ОН се разделя, не се образува. Тъй като обърнахме това уравнение, така че продуктите и реагентите да се отменят, променихме знака на енталпията на образуването, за да дадем 228 kJ/mol. Всъщност енталпията на образуването за С2З5OH е -228 kJ/mol.
Метод 3 от 3: Наблюдение на промяната на енталпията в експериментите
Стъпка 1. Вземете чист съд и го напълнете с вода
Лесно е да се види принципа на енталпията с прост експеримент. За да сте сигурни, че експерименталната ви реакция не е замърсена с външни вещества, почистете и стерилизирайте контейнерите, които възнамерявате да използвате. Учените използват специални запечатани контейнери, наречени калориметри за измерване на енталпията, но можете да получите добри резултати с всяко стъкло или малка епруветка. Какъвто и контейнер да използвате, напълнете го с чиста вода със стайна температура. Трябва също да експериментирате в стая със студена температура.
За този експеримент ще ви трябва доста малък контейнер. Ще изследваме ефекта от промяната на енталпията на Alka-Seltzer върху водата, така че колкото по-малко вода използвате, толкова по-силно ще се промени температурата
Стъпка 2. Поставете термометъра в контейнера
Вземете термометър и го поставете в контейнера, така че върхът на термометъра да е под водата. Прочетете температурата на водата - за нашите цели температурата на водата се обозначава с Т1, началната температура на реакцията.
Да речем, че измерваме температурата на водата и резултатът е 10 градуса С. В няколко стъпки ще използваме тези температурни показания, за да докажем принципа на енталпията
Стъпка 3. Добавете един Alka-Seltzer в контейнера
Когато сте готови да започнете експеримента, пуснете Alka-Seltzer във водата. Веднага ще забележите, че зърното бълбука и съска. Когато топчетата се разтварят във вода, те се разграждат до химичния бикарбонат (HCO.).3-) и лимонена киселина (която реагира под формата на водородни йони, Н+). Тези химикали реагират, за да образуват вода и въглероден диоксид в уравнението 3HCO3− + 3Н+ → 3H2O + 3CO2.
Стъпка 4. Измерете температурата, когато реакцията приключи
Гледайте как протича реакцията - гранулите на Alka -Seltzer бавно ще се разтварят. Веднага след като реакцията на зърното приключи (или се забави), измерете температурата отново. Водата трябва да е по -студена от преди. Ако е по -топло, експериментът може да бъде повлиян от външни сили (например, ако стаята, в която се намирате, е топла).
За нашия експериментален пример, нека кажем, че температурата на водата е 8 градуса C след като зърната престанат да газират
Стъпка 5. Оценете енталпията на реакцията
В един идеален експеримент, когато пуснете зърно Alka-Seltzer във вода, то образува вода и газ въглероден диоксид (газът може да се наблюдава като съскащ мехур) и причинява падане на температурата на водата. От тази информация предполагаме, че реакцията е ендотермична - тоест абсорбира енергия от околната среда. Разтворените течни реагенти се нуждаят от допълнителна енергия за производство на газообразен продукт, така че те абсорбират енергия под формата на топлина от околната среда (в този експеримент, вода). Това води до намаляване на температурата на водата.
