Как найти энтальпию реакции

3 методика:Вычисление энтальпииПодсчет энтальпииЭкспериментальный подсчет энтальпии

Некоторые химические реакции могут поглощать или выделять тепло окружающей среды. Такой теплообмен между химической реакцией и окружающей средой, называется энтальпией, или H. Однако, нельзя точно измерить энтальпию, поэтому принято рассчитывать изменение температуры окружающей среды (обозначаемое ∆H). ∆H показывает, что в ходе химической реакции происходит выделение тепла в окружающую среду (экзотермическая реакция) или поглощение тепла (эндотермическая реакция). Рассчитывается энтальпия так: ∆H = m x s x ∆T, где m – это масса реагентов, s – это теплоемкость, ∆T – это разница температуры.

Шаги

Метод 1 из 3: Вычисление энтальпии

1. 1 Найдите реагенты и продукты реакции. Любая химическая реакция имеет реагенты и продукты реакции. Продукт реакции создается в результате взаимодействия реагентов. Другими словами реагенты - это ингредиенты в рецепте, а продукт реакции - это готовое блюдо. Чтобы найти ∆H реакции, необходимо найти реагенты и продукты реакции..
   • Например, необходимо найти энтальпию реакции образования воды из водорода и кислорода: 2H2 (Водород) + O2 (Кислород) → 2H2O (Вода). В этой реакции H2 и O2 - это реагенты, а H2O - это продукт реакции.
2. 2 Определите общую массу реагентов. Далее необходимо подсчитать массу реагентов. Если вы не можете взвесить их, то подсчитайте молекулярную массу, чтобы найти фактическую. Молекулярная масса – это постоянная, которую можно найти в периодической таблице Менделеева или в других таблицах молекул и соединений. Умножьте массу каждого реагента на число молей.
   • В нашем примере, реагенты, водород и кислород, имеют молекулярные массы 2 г и 32 г соответственно. Поскольку мы используем 2 моль водорода (коэффициент в химической реакции перед водородом H2) и 1 моль кислорода (отсутствие коэффициента перед O2 обозначает 1 моль), то общая масса реагентов рассчитывается следующим образом:
     2 × (2г) + 1 × (32г) = 4г + 32г = 36г
3. 3 Определите теплоемкость продукта. Далее определите теплоемкость продукта реакции. Каждая молекула имеет определенную величину теплоемкости, которая является постоянной. Найдите эту постоянную в таблицах учебника по химии. Существует несколько единиц измерения теплоемкости. Для расчета нам потребуется Дж/г°C.
   • Обратите внимание на то, что при наличии нескольких продуктов реакции, вам потребуется рассчитать теплоемкость каждого, а затем сложить их, чтоб получить энтальпию всей реакции.
   • В нашем примере, продукт реакции – вода, которая имеет теплоемкость 4,2 Дж/г°C.
4. 4 Найдите разницу температуры. Теперь мы найдем ∆T – изменение температуры до и после реакции. Из начальной температуры (T1) вычтите конечную температуру (T2). Чаще всего используется шкала Кельвина (К) для определения температуры (хотя по шкале Цельсия (°С) получится тот же результат).
   • В нашем примере давайте предположим, что начальная температура реакции была 185K, а после реакции стала 95K, значит, ∆T вычисляется так:
     ∆T = T2 – T1 = 95K – 185K = -90K
5. 5 Найдите энтальпию по формуле ∆H = m x s x ∆T. Если известна m – масса реагентов, s – теплоемкость продукта реакции и ∆T – изменение температуры, то можно подсчитать энтальпию реакции. Подставьте значения в формулу ∆H = m x s x ∆T и получите энтальпию. Результат вычисляется в Джоулях (Дж).
   • В нашем примере энтальпия вычисляется так:
     ∆H = (36г) × (4.2 ДжK-1 г-1) × (-90K ) = -13,608 Дж
6. 6 Определение выделения или поглощения энергии. Наиболее важная характеристика энтальпии ∆H - это определение будет реакция экзотермической (выделение тепла и снижение собственной энергии) или эндотермической (поглощение тепла из окружающей среды и повышение собственной энергии). Если знак перед значением ∆H положительный, значит реакция эндотермическая. Если знак отрицательный, значит реакция экзотермическая. Остерегайтесь больших значений энтальпии, потому что это может означать большой и быстрый выброс энергии, что может привести к взрыву.
   • В нашем примере, конечный результат получился равным -13 608 Дж. Перед значением энтальпии отрицательный знак, а это означает, что реакция экзотермическая. Горячие газы (в виде пара) H2 и O2 должны выделить некоторое количество тепла, чтобы образовать молекулу воды, то есть реакция образования H2O является экзотермической.

Метод 2 из 3: Подсчет энтальпии

1. 1 Подсчитайте энергию связей для оценки энтальпии. Почти все химические реакции приводят к разрыву одних связей и образованию новых. Так по разрыву или образованию химических связей можно оценить изменение энтальпии всей реакции при помощи суммирования энергии этих связей.
   • Например, рассмотрим реакцию: H2 + F2 → 2HF. В этом случае, энергия для разрыва связи в молекуле H2 составляет 436 кДж/моль, а энергия для разрыва F2 составляет 158 кДж/моль.[1] Наконец, энергия необходимая для образования связи в молекуле HF из H и F = -568 кДж/моль.[2] Умножаем последнее значение на 2, т.к. получаем в ходе реакции 2 моль HF, т.е. 2 × -568 = -1136 кДж/моль. Складываем значения:
     436 + 158 + -1136 = -542 кДж/моль.
2. 2 Используйте энтальпию образования для оценки энтальпии. Энтальпия образования позволяет рассчитать ∆H через вычисление реакций образования реагентов и продуктов. Если известна энтальпия образования продуктов реакции и реагентов, то вы можете рассчитать энтальпию образования по следующему примеру.
   • Например, рассмотрим следующую реакцию: C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Мы знаем, что энтальпия образования рассчитывается:[3]
     C2H5OH → 2C + 3H2 + 0.5O2 = 228 кДж/моль
     2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 кДж/моль
     3H2 + 1.5 O2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 кДж/моль
     Теперь необходимо сложить значения образованных веществ, полученные выше, для определения энтальпии реакции: C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O,
     228 + -788 + -858 = -1418 кДж/моль.
3. 3 Не забывайте про знаки перед значениями энтальпии. При вычислении энтальпии образования, формулу для определения энтальпии реакции продукта вы переворачиваете, то знак энтальпии должен поменяться. Другими словами, если вы переворачиваете формулу, то знак энтальпии должен смениться на противоположный.
   • В примере, обратите внимание на то, что реакция образования для продукта C2H5OH записана наоборот. C2H5OH → 2C + 3H2 + 0.5O2 т.е. C2H5OH распадается, а не синтезируется. Поэтому знак перед энтальпией в такой реакции положительный: 228 кДЖмоль, хотя энтальпия образования C2H5OH составляет -228 кДжмоль.

Метод 3 из 3: Экспериментальный подсчет энтальпии

1. 1 Возьмите чистую емкость и налейте туда воды. Давайте посмотрим принципы энтальпии экспериментально. Убедитесь, что используемые предметы не содержат загрязнителей и очистителей. Ученые используют специальный закрытые контейнеры – калориметры, для измерения энтальпии, но также можно использовать стеклянный стакан или колбу. Заполните его чистой водопроводной водой. Желательно проводить эксперимент в холодном помещении.
   • Для эксперимента желательно использовать небольшой контейнер. Мы будем рассматривать энтальпию реакции с Алька-Зельцер, поэтому, чем меньше воды используется, тем более очевидным будет изменение температуры.
2. 2 Поместите термометр в контейнер. Поместите в контейнер термометр так, чтобы граница прочтения температуры была ниже уровня воды. Начальная температура теперь известна - T1.
   • Предположим, что температуры воды 10°C. Через несколько шагов мы поймем на практике, что такое энтальпия и как это работает.
3. 3 Добавьте одну таблетку Алька-Зельцер в контейнер. Готовы? Кидайте одну таблетку Алька-Зельцер в воду, которая сразу начнет пузыриться и шипеть. Это происходит из-за реакции между бикарбонатом (HCO3-) и лимонной кислотой (H+). В результате образуется вода и углекислый газ по формуле: 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
4. 4 Измерьте конечную температуру. Таблетка Алька-Зельцер должна полностью раствориться. Измерьте температуру еще раз. Температура должна быть немного ниже. Если температура воды сейчас выше начальной температуры, значит, эксперименту помешали какие-то внешние факторы (например, слишком теплое помещение, где проводился эксперимент).
   • Предположим, что измеренная второй раз температура составляет 8°C.
5. 5 Подсчитаем энтальпию реакции. В ходе эксперимента должно наблюдаться снижение температуры воды после растворения таблетки Алька-Зельцер. Можно сделать вывод, что данная реакция является эндотермической, т.е. химическая реакция сопровождается поглощением энергии окружающей среды. Кроме того в результате реакции образуется газ, который также поглощает энергию окружающей среды. Все это приводит к снижению температуры воды.
   • В нашем эксперименте температура воды упала на 2 градуса. Это доказывает, что реакция растворения Алька-Зельцер в воде эндотермическая.

Советы

• В подсчетах используется шкала Кельвина (K) – это температурная шкала аналогическая Цельсию. Чтобы перевести значение Цельсия в Кельвина, необходимо добавить или вычесть 273 градуса: K = °C + 273.