Bij alle chemische reacties kan warmte worden opgenomen uit de omgeving of afgegeven aan de omgeving. De uitwisseling van warmte tussen een chemische reactie en zijn omgeving staat bekend als de enthalpie van de reactie, of H. H kan echter niet direct worden gemeten - in plaats daarvan gebruiken wetenschappers de verandering in temperatuur van een reactie in de loop van de tijd om de verandering in enthalpie te vinden na verloop van tijd (geschreven als H). Met H kan een wetenschapper bepalen of een reactie warmte afgeeft (of "exotherm" is) of warmte ontvangt (of "endotherm" is). In het algemeen, H = m x s x T, waarbij m de massa van de reactanten is, s de soortelijke warmte van de producten is en T de verandering in temperatuur in de reactie is.
Stap
Methode 1 van 3: Enthalpieproblemen oplossen
Stap 1. Bepaal de reactie van uw producten en reactanten
Elke chemische reactie omvat twee chemische categorieën: producten en reactanten. Producten zijn chemische stoffen die het resultaat zijn van reacties, terwijl reactanten chemische stoffen zijn die worden gecombineerd of gesplitst om producten te produceren. Met andere woorden, de reactanten van een reactie zijn als de ingrediënten van een voedselrecept, terwijl de producten het afgewerkte voedsel zijn. Om de H van een reactie te vinden, identificeert u eerst de producten en reactanten.
Stel dat we bijvoorbeeld de enthalpie van de reactie gaan vinden voor de vorming van water uit waterstof en zuurstof: 2H2 (Waterstof) + O2 (Zuurstof) → 2H2O (Water). In deze vergelijking, H2 en O2 is de reactant en H2O is een produkt.
Stap 2. Bepaal de totale massa van de reactanten
Zoek vervolgens de massa van uw reactanten. Als je de massa niet kent en het niet op een wetenschappelijke schaal kunt wegen, kun je de molaire massa gebruiken om de werkelijke massa te vinden. Molaire massa is een constante die kan worden gevonden in het reguliere periodiek systeem (voor afzonderlijke elementen) en andere chemische bronnen (voor moleculen en verbindingen). Vermenigvuldig de molaire massa van elke reactant met het aantal mol om de massa van de reactanten te vinden.
-
In het watervoorbeeld zijn onze reactanten waterstof- en zuurstofgassen, die een molecuulmassa hebben van 2 g en 32 g. Aangezien we 2 mol waterstof gebruiken (te oordelen naar de coëfficiënt van 2 in H2) en 1 mol zuurstof (te oordelen naar de afwezigheid van coëfficiënten in O2), kunnen we de totale massa van de reactanten als volgt berekenen:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Stap 3. Zoek de soortelijke warmte van uw product
Zoek vervolgens de soortelijke warmte van het product dat u analyseert. Elk element of molecuul heeft een specifieke soortelijke warmte: deze waarde is een constante en wordt meestal gevonden in leermiddelen voor scheikunde (bijvoorbeeld in de tabel achterin een leerboek scheikunde). Er zijn verschillende manieren om de soortelijke warmte te berekenen, maar voor de formule die we gebruiken, gebruiken we de eenheid Joule/gram °C.
- Merk op dat als uw vergelijking meerdere producten heeft, u de enthalpie moet berekenen voor de reacties van de elementen die worden gebruikt om elk product te produceren, en deze vervolgens bij elkaar op te tellen om de totale enthalpie voor de reactie te vinden.
- In ons voorbeeld is het eindproduct water met een soortelijke warmte van ca. 4,2 joule/gram °C.
Stap 4. Zoek het verschil in temperatuur nadat de reactie heeft plaatsgevonden
Vervolgens zullen we T vinden, de verandering in temperatuur voor en na de reactie. Trek de begintemperatuur van de reactie (of T1) af van de eindtemperatuur na de reactie (of T2) om deze te berekenen. Zoals bij het meeste chemische werk, wordt de temperatuur in Kelvin (K) gebruikt (hoewel Celsius (C) hetzelfde resultaat geeft).
-
Laten we voor ons voorbeeld zeggen dat de begintemperatuur van de reactie 185 K is, maar afkoelt tot 95 K wanneer de reactie is voltooid. In dit probleem wordt T als volgt berekend:
T = T2 – T1 = 95K – 185K = - 90K
Stap 5. Gebruik de formule H = m x s x T om op te lossen
Als je m hebt, de massa van de reactanten, s, de soortelijke warmte van de producten, en T, de verandering in temperatuur van de reactie, dan ben je klaar om de enthalpie van de reactie te vinden. Vul je waarden in de formule H = m x s x T in en vermenigvuldig om op te lossen. Je antwoord is geschreven in energie-eenheden, namelijk Joules (J).
-
Voor ons voorbeeldprobleem is de enthalpie van de reactie:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Stap 6. Bepaal of je reactie energie ontvangt of verliest
Een van de meest voorkomende redenen voor het berekenen van H voor verschillende reacties is om te bepalen of de reactie exotherm is (energie verliest en warmte afgeeft) of endotherm (energie wint en warmte opneemt). Als het teken van je uiteindelijke antwoord voor H positief is, dan is de reactie endotherm. Ondertussen, als het teken negatief is, is de reactie exotherm. Hoe groter het getal, hoe groter de exo- of endotherme reactie. Wees voorzichtig met sterke exotherme reacties - ze geven soms grote hoeveelheden energie vrij, die, als ze heel snel vrijkomen, een explosie kan veroorzaken.
In ons voorbeeld is het uiteindelijke antwoord -13608J. Omdat het teken negatief is, weten we dat onze reactie is exotherm. Dit is logisch - H2 en O2 is een gas, terwijl H2O, het product, is een vloeistof. Het hete gas (in de vorm van stoom) moet energie afgeven aan de omgeving in de vorm van warmte, om het af te koelen om een vloeistof te vormen, dat wil zeggen, de reactie om H te vormen2O is exotherm.
Methode 2 van 3: De enthalpiegrootte schatten
Stap 1. Gebruik bindingsenergieën om de enthalpie te schatten
Bijna alle chemische reacties hebben betrekking op de vorming of het verbreken van bindingen tussen atomen. Aangezien bij chemische reacties energie niet kan worden vernietigd of gecreëerd, kunnen we, als we de hoeveelheid energie kennen die nodig is om bindingen in een reactie te vormen of te verbreken, de enthalpieverandering voor de algehele reactie met een hoge mate van nauwkeurigheid schatten door deze bindingen bij elkaar op te tellen. energieën.
-
Bijvoorbeeld, de reactie gebruikt H2 + F2 → 2HF. In deze vergelijking is de energie die nodig is om de H-atomen in het H.-molecuul af te breken2 is 436 kJ/mol, terwijl de benodigde energie voor F2 bedraagt 158 kJ/mol. Ten slotte is de energie die nodig is om HF uit H en F te vormen = -568 kJ/mol. We vermenigvuldigen met 2 omdat het product in de vergelijking 2 HF is, dus dat is 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Als we ze allemaal bij elkaar optellen, krijgen we:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Stap 2. Gebruik de vormingsenthalpie om de enthalpie te schatten
De vormingsenthalpie is een reeks waarden H die de enthalpieverandering vertegenwoordigt van een reactie om een chemische stof te produceren. Als u de vormingsenthalpie kent die nodig is om de producten en reactanten in de vergelijking te produceren, kunt u ze optellen om de enthalpie te schatten zoals de hierboven beschreven bindingsenergieën.
-
Bijvoorbeeld, de gebruikte vergelijking C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. In deze vergelijking weten we dat de vormingsenthalpie voor de volgende reactie is:
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
Aangezien we deze vergelijkingen kunnen optellen om C. te krijgen2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, van de reactie die we proberen te vinden om de enthalpie te vinden, hoeven we alleen de enthalpie van de vormingsreactie hierboven op te tellen om de enthalpie van deze reactie te vinden, als volgt:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Stap 3. Vergeet niet het teken te veranderen wanneer u de vergelijking omkeert
Het is belangrijk op te merken dat wanneer u de vormingsenthalpie gebruikt om de enthalpie van een reactie te berekenen, u het teken van de vormingsenthalpie moet veranderen wanneer u de vergelijking voor de reactie van de elementen omkeert. Met andere woorden, als je een of meer van je vergelijkingen voor de vorming van een reactie omkeert, zodat de producten en reactanten elkaar opheffen, verander dan het teken van de enthalpie van de vormingsreactie die je verwisselt.
Merk in het bovenstaande voorbeeld op dat de vormingsreactie die we gebruikten voor C2H5OH ondersteboven. C2H5OH → 2C + 3H2 +0.5O2 toon C2H5OH wordt gesplitst, niet gevormd. Omdat we deze vergelijking hebben omgekeerd zodat de producten en reactanten elkaar opheffen, hebben we het teken van de vormingsenthalpie veranderd in 228 kJ/mol. In feite is de vormingsenthalpie voor C2H5OH is -228 kJ/mol.
Methode 3 van 3: De enthalpieverandering in experimenten observeren
Stap 1. Neem een schone bak en vul deze met water
Het is gemakkelijk om het principe van enthalpie te zien met een eenvoudig experiment. Om ervoor te zorgen dat uw experimentele reactie niet is verontreinigd met externe stoffen, reinigt en steriliseert u de containers die u wilt gebruiken. Wetenschappers gebruiken speciale verzegelde containers, calorimeters genaamd, om enthalpie te meten, maar je kunt goede resultaten krijgen met elk glas of elke kleine reageerbuis. Welke container u ook gebruikt, vul deze met schoon water op kamertemperatuur. Experimenteer ook in een ruimte met een koude temperatuur.
Voor dit experiment heb je een vrij kleine container nodig. We zullen het effect van de enthalpieverandering van Alka-Seltzer op water onderzoeken, dus hoe minder water u gebruikt, hoe meer uitgesproken de temperatuurverandering zal zijn
Stap 2. Plaats de thermometer in de container
Neem een thermometer en plaats deze in de container zodat de punt van de thermometer onder water staat. Lees de temperatuur van het water - voor onze doeleinden wordt de temperatuur van het water aangeduid met T1, de begintemperatuur van de reactie.
Laten we zeggen dat we de temperatuur van water meten en het resultaat is 10 graden C. In een paar stappen zullen we deze temperatuurmetingen gebruiken om het principe van enthalpie te bewijzen
Stap 3. Voeg een Alka-Seltzer toe aan de container
Als je klaar bent om met het experiment te beginnen, laat je een Alka-Seltzer in het water vallen. Je merkt meteen dat het graan borrelt en sist. Wanneer de kralen oplossen in water, vallen ze uiteen in het chemische bicarbonaat (HCO.).3-) en citroenzuur (dat reageert in de vorm van waterstofionen, H+). Deze chemicaliën reageren om water en kooldioxidegas te vormen in de vergelijking 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Stap 4. Meet de temperatuur wanneer de reactie is voltooid
Kijk hoe de reactie verloopt - de Alka-Seltzer-korrels zullen langzaam oplossen. Zodra de graanreactie eindigt (of is vertraagd), meet u de temperatuur opnieuw. Het water moet kouder zijn dan voorheen. Als het warmer is, kan het experiment worden beïnvloed door krachten van buitenaf (bijvoorbeeld als de kamer waarin je je bevindt warm is).
Laten we voor ons experimentele voorbeeld zeggen dat de temperatuur van het water 8 graden C is nadat de korrels zijn gestopt met bruisen
Stap 5. Schat de enthalpie van de reactie
In een ideaal experiment, wanneer je een Alka-Seltzer-korrel in water laat vallen, vormt het water en kooldioxidegas (het gas kan worden waargenomen als een sissende bel) en zorgt ervoor dat de temperatuur van het water daalt. Op basis van deze informatie vermoeden we dat de reactie endotherm is - dat wil zeggen, het absorbeert energie uit de omgeving. De opgeloste vloeibare reactanten hebben extra energie nodig om een gasvormig product te produceren, dus nemen ze energie op in de vorm van warmte uit de omgeving (in dit experiment water). Hierdoor daalt de watertemperatuur.
