En totes les reaccions químiques, la calor es pot rebre dels voltants o alliberar-se als voltants. L'intercanvi de calor entre una reacció química i el seu entorn es coneix com l'entalpia de la reacció, o H. No obstant això, la H no es pot mesurar directament; en canvi, els científics utilitzen el canvi de temperatura d'una reacció al llarg del temps per trobar el canvi en l'entalpia. al llarg del temps (escrit com H). Amb H, un científic pot determinar si una reacció desprèn calor (o és "exotèrmica") o rep calor (o és "endotèrmica"). En general, H = m x s x T, on m és la massa dels reactius, s és la calor específica dels productes i T és el canvi de temperatura de la reacció.
Pas
Mètode 1 de 3: resolució de problemes d'entalpia
Pas 1. Determineu la reacció dels vostres productes i reactius
Qualsevol reacció química comporta dues categories químiques: productes i reactius. Els productes són substàncies químiques resultants de reaccions, mentre que els reactius són substàncies químiques que es combinen o es divideixen per produir productes. En altres paraules, els reactius d'una reacció són com els ingredients d'una recepta d'aliments, mentre que els productes són els aliments acabats. Per trobar la H d’una reacció, primer identifiqueu els productes i reactius.
Per exemple, diguem que trobarem l’entalpia de la reacció per a la formació d’aigua a partir d’hidrogen i oxigen: 2H2 (Hidrogen) + O2 (Oxigen) → 2H2O (Aigua). En aquesta equació, H2 i O2 és el reactiu i H2O és un producte.
Pas 2. Determineu la massa total dels reactius
A continuació, trobeu la massa dels vostres reactius. Si no coneixeu la seva massa i no la podeu pesar a una escala científica, podeu utilitzar la seva massa molar per trobar la seva massa real. La massa molecular és una constant que es pot trobar a la taula periòdica regular (per a elements simples) i altres fonts químiques (per a molècules i compostos). Simplement multipliqueu la massa molar de cada reactiu pel nombre de mols per trobar la massa dels reactius.
-
A l'exemple de l'aigua, els nostres reactius són gasos d'hidrogen i oxigen, que tenen masses molars de 2 g i 32 g. Com que estem utilitzant 2 mols d’hidrogen (a jutjar pel coeficient de 2 en H2) i 1 mol d’oxigen (a jutjar per l’absència de coeficients en O2), podem calcular la massa total dels reactius de la següent manera:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 g
Pas 3. Cerqueu la calor específica del vostre producte
A continuació, cerqueu la calor específica del producte que esteu analitzant. Cada element o molècula té una calor específica específica: aquest valor és una constant i es troba generalment en recursos d’aprenentatge de química (per exemple, a la taula de la part posterior d’un llibre de text de química). Hi ha diferents maneres de calcular la calor específica, però per a la fórmula que estem utilitzant, fem servir la unitat Joule / gram ° C.
- Tingueu en compte que si la vostra equació té diversos productes, haureu de calcular l'entalpia per a les reaccions dels elements utilitzats per produir cada producte i, a continuació, sumar-les per trobar l'entalpia global de la reacció.
- En el nostre exemple, el producte final és aigua, que té una calor específica d’aprox. 4,2 joules / gram ° C.
Pas 4. Trobeu la diferència de temperatura després que es produeixi la reacció
A continuació, trobarem T, el canvi de temperatura abans i després de la reacció. Resteu la temperatura inicial de la reacció (o T1) de la temperatura final després de la reacció (o T2) per calcular-la. Com en la majoria de treballs químics, s’utilitza la temperatura de Kelvin (K) (tot i que els centígrads (C) donaran el mateix resultat).
-
Per al nostre exemple, suposem que la temperatura inicial de la reacció és de 185 K, però es refreda fins a 95 K quan la reacció es completa. En aquest problema, T es calcula de la següent manera:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Pas 5. Utilitzeu la fórmula H = m x s x T per resoldre
Si teniu m, la massa dels reactius, s, la calor específica dels productes i T, el canvi de temperatura de la reacció, esteu a punt per trobar l’entalpia de la reacció. Connecteu els vostres valors a la fórmula H = m x s x T i multipliqueu per resoldre. La vostra resposta s’escriu en unitats d’energia, és a dir, Joules (J).
-
Per al nostre problema d'exemple, l'entalpia de la reacció és:
H = (36 g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90 K) = - 13.608 J
Pas 6. Determineu si la vostra reacció està rebent o perdent energia
Una de les raons més freqüents per calcular l’H per a diverses reaccions és determinar si la reacció és exotèrmica (perd energia i allibera calor) o endotèrmica (guanya energia i absorbeix calor). Si el signe de la vostra resposta final per a H és positiu, la reacció és endotèrmica. Mentrestant, si el signe és negatiu, la reacció és exotèrmica. Com més gran sigui el nombre, major serà la reacció exo o endotèrmica. Aneu amb compte amb les reaccions exotèrmiques fortes: de vegades alliberen grans quantitats d’energia que, si s’alliberen molt ràpidament, poden provocar una explosió.
En el nostre exemple, la resposta final és -13608J. Com que el signe és negatiu, sabem que la nostra reacció és exotèrmic. Això té sentit: H2 i O2 és un gas, mentre que H2O, el producte, és un líquid. El gas calent (en forma de vapor) ha d’alliberar energia al medi ambient en forma de calor, per refredar-lo fins a formar un líquid, és a dir, la reacció per formar H2O és exotèrmic.
Mètode 2 de 3: estimació de la mida de l'entalpia
Pas 1. Utilitzeu energies d'enllaç per estimar l'entalpia
Gairebé totes les reaccions químiques impliquen la formació o la ruptura d'enllaços entre àtoms. Com que en les reaccions químiques, l'energia no es pot destruir ni crear, si coneixem la quantitat d'energia necessària per formar o trencar enllaços en una reacció, podem estimar el canvi d'entalpia de la reacció global amb un alt grau de precisió sumant aquests enllaços. energies.
-
Per exemple, la reacció va utilitzar H2 + F2 → 2HF. En aquesta equació, l'energia necessària per descompondre els àtoms H de la molècula H. és2 és de 436 kJ / mol, mentre que l’energia necessària per a F2 és de 158 kJ / mol. Finalment, l’energia necessària per formar HF a partir de H i F és = -568 kJ / mol. Multiplicem per 2 perquè el producte de l’equació és 2 HF, de manera que és 2 × -568 = -1136 kJ / mol. Sumant-los tots, obtenim:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ / mol.
Pas 2. Utilitzeu l'entalpia de formació per estimar l'entalpia
L’entalpia de formació és un conjunt de valors H que representa el canvi d’entalpia d’una reacció per produir una substància química. Si coneixeu l'entalpia de formació necessària per produir els productes i reactius a l'equació, podeu sumar-los per estimar l'entalpia com les energies d'enllaç descrites anteriorment.
-
Per exemple, l'equació utilitzada C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. En aquesta equació, sabem que l'entalpia de formació per a la reacció següent és:
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
Ja que podem sumar aquestes equacions per obtenir C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, a partir de la reacció que intentem trobar l’entalpia, només hem de sumar l’entalpia de la reacció de formació anterior per trobar l’entalpia d’aquesta reacció, de la manera següent:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ / mol.
Pas 3. No oblideu canviar el signe quan inverteu l'equació
És important tenir en compte que quan utilitzeu l'entalpia de formació per calcular l'entalpia d'una reacció, heu de canviar el signe de l'entalpia de formació cada vegada que inverteu l'equació de la reacció dels elements. Dit d’una altra manera, si inverteu una o més de les vostres equacions per a la formació d’una reacció de manera que els productes i reactius s’anul·len mútuament, canvieu el signe de l’entalpia de la reacció de formació que canvieu.
A l'exemple anterior, tingueu en compte que la reacció de formació que hem utilitzat per a C2H5OH al revés. C2H5OH → 2C + 3H2 + 0,5O2 espectacle C2H5OH es divideix, no es forma. Com que hem invertit aquesta equació de manera que els productes i reactius es cancel·len, hem canviat el signe de l'entalpia de formació per donar 228 kJ / mol. De fet, l’entalpia de formació per a C2H5OH és -228 kJ / mol.
Mètode 3 de 3: Observació del canvi d'entalpia en experiments
Pas 1. Agafeu un recipient net i ompliu-lo d’aigua
És fàcil veure el principi d’entalpia amb un experiment senzill. Per assegurar-vos que la vostra reacció experimental no estigui contaminada amb substàncies externes, netegeu i esterilitzeu els contenidors que vulgueu utilitzar. Els científics utilitzen envasos especials segellats anomenats calorímetres per mesurar l’entalpia, però podeu obtenir bons resultats amb qualsevol vidre o proveta petita. Feu servir el recipient que feu servir, ompliu-lo amb aigua neta a temperatura ambient. També heu d’experimentar en una habitació amb temperatura freda.
Per a aquest experiment, necessitareu un contenidor bastant petit. Examinarem l’efecte del canvi d’entalpia d’Alka-Seltzer sobre l’aigua, de manera que, com menys aigua utilitzeu, més pronunciat serà el canvi de temperatura
Pas 2. Introduïu el termòmetre al contenidor
Agafeu un termòmetre i poseu-lo al recipient de manera que la punta del termòmetre quedi sota l’aigua. Llegiu la temperatura de l’aigua: per als nostres propòsits, la temperatura de l’aigua es denota amb T1, la temperatura inicial de la reacció.
Diguem que mesurem la temperatura de l’aigua i el resultat és de 10 graus C. En uns quants passos, utilitzarem aquestes lectures de temperatura per demostrar el principi d’entalpia
Pas 3. Afegiu un Alka-Seltzer al contenidor
Quan estigueu a punt per començar l'experiment, deixeu anar un Alka-Seltzer a l'aigua. Notareu immediatament que el gra bull i xiula. Quan les perles es dissolen en aigua, es descomponen en el bicarbonat químic (HCO.).3-) i àcid cítric (que reacciona en forma d’ions hidrogen, H+). Aquests productes químics reaccionen formant aigua i gas diòxid de carboni a l’equació 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Pas 4. Mesureu la temperatura quan es completi la reacció
Mireu com avança la reacció: els grànuls Alka-Seltzer es dissolen lentament. Tan bon punt finalitzi la reacció del gra (o s’hagi desaccelerat), torneu a mesurar la temperatura. L’aigua hauria de ser més freda que abans. Si és més càlid, l'experiment pot veure's afectat per forces externes (per exemple, si l'habitació on es troba és càlida).
Per al nostre exemple experimental, suposem que la temperatura de l’aigua és de 8 graus C després que els grans deixin de bufar-se
Pas 5. Calculeu l'entalpia de la reacció
En un experiment ideal, quan deixeu caure un gra d’Alka-Seltzer a l’aigua, aquest forma aigua i gas diòxid de carboni (el gas es pot observar com una bombolla sibilant) i fa que la temperatura de l’aigua baixi. A partir d’aquesta informació, suposem que la reacció és endotèrmica, és a dir, absorbeix l’energia de l’entorn que l’envolta. Els reactius líquids dissolts requereixen energia addicional per produir un producte gasós, de manera que absorbeixen energia en forma de calor de l’entorn (en aquest experiment, aigua). Això fa que la temperatura de l’aigua disminueixi.
