Bei allen chemischen Reaktionen kann Wärme aus der Umgebung aufgenommen oder an die Umgebung abgegeben werden. Der Wärmeaustausch zwischen einer chemischen Reaktion und ihrer Umgebung wird als Reaktionsenthalpie oder H bezeichnet. H kann jedoch nicht direkt gemessen werden – Wissenschaftler verwenden stattdessen die Temperaturänderung einer Reaktion im Laufe der Zeit, um die Änderung der Enthalpie zu bestimmen im Laufe der Zeit (geschrieben als h). Mit H kann ein Wissenschaftler bestimmen, ob eine Reaktion Wärme abgibt (oder „exotherm“ist) oder Wärme erhält (oder „endotherm“ist). Im Allgemeinen, H = m x s x T, wobei m die Masse der Reaktionspartner, s die spezifische Wärme der Produkte und T die Temperaturänderung bei der Reaktion ist.
Schritt
Methode 1 von 3: Enthalpieprobleme lösen
Schritt 1. Bestimmen Sie die Reaktion Ihrer Produkte und Reaktanten
Jede chemische Reaktion umfasst zwei chemische Kategorien - Produkte und Reaktanten. Produkte sind chemische Substanzen, die aus Reaktionen resultieren, während Reaktanten chemische Substanzen sind, die sich zu Produkten verbinden oder spalten. Mit anderen Worten, die Reaktanten einer Reaktion sind wie die Zutaten eines Lebensmittelrezepts, während die Produkte das fertige Lebensmittel sind. Um das H einer Reaktion zu bestimmen, identifizieren Sie zuerst die Produkte und Reaktanten.
Angenommen, wir berechnen die Reaktionsenthalpie für die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff: 2H2 (Wasserstoff) + O2 (Sauerstoff) → 2H2O (Wasser). In dieser Gleichung ist h2 und Ö2 ist der Reaktant und h2Ö ist ein Produkt.
Schritt 2. Bestimmen Sie die Gesamtmasse der Reaktanten
Als nächstes finden Sie die Masse Ihrer Reaktanten. Wenn Sie seine Masse nicht kennen und es nicht auf einer wissenschaftlichen Skala wiegen können, können Sie seine molare Masse verwenden, um seine tatsächliche Masse zu ermitteln. Die Molmasse ist eine Konstante, die im regelmäßigen Periodensystem (für einzelne Elemente) und anderen chemischen Quellen (für Moleküle und Verbindungen) zu finden ist. Multiplizieren Sie einfach die Molmasse jedes Reaktanten mit der Anzahl der Mole, um die Masse der Reaktanten zu ermitteln.
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Im Beispiel Wasser sind unsere Reaktionspartner Wasserstoff- und Sauerstoffgase, die Molmassen von 2 g und 32 g haben. Da wir 2 Mol Wasserstoff verwenden (nach dem Koeffizienten von 2 in H2) und 1 Mol Sauerstoff (beurteilt durch das Fehlen von Koeffizienten in O2) können wir die Gesamtmasse der Reaktanten wie folgt berechnen:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Schritt 3. Ermitteln Sie die spezifische Wärme Ihres Produkts
Ermitteln Sie als Nächstes die spezifische Wärme des Produkts, das Sie analysieren. Jedes Element oder Molekül hat eine spezifische spezifische Wärme: Dieser Wert ist eine Konstante und findet sich normalerweise in Chemie-Lernmaterialien (zum Beispiel in der Tabelle am Ende eines Chemie-Lehrbuchs). Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die spezifische Wärme zu berechnen, aber für die von uns verwendete Formel verwenden wir die Einheit Joule/Gramm °C.
- Beachten Sie, dass Sie, wenn Ihre Gleichung mehrere Produkte enthält, die Enthalpie für die Reaktionen der Elemente berechnen müssen, die zur Herstellung jedes Produkts verwendet werden, und sie dann addieren müssen, um die Gesamtenthalpie für die Reaktion zu ermitteln.
- In unserem Beispiel ist das Endprodukt Wasser mit einer spezifischen Wärme von ca. 4,2 Joule/Gramm °C.
Schritt 4. Bestimmen Sie den Temperaturunterschied nach der Reaktion
Als nächstes finden wir T, die Temperaturänderung vor und nach der Reaktion. Ziehen Sie die Anfangstemperatur der Reaktion (oder T1) von der Endtemperatur nach der Reaktion (oder T2) ab, um sie zu berechnen. Wie bei den meisten chemischen Arbeiten wird die Temperatur in Kelvin (K) verwendet (obwohl Celsius (C) das gleiche Ergebnis liefert).
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Nehmen wir für unser Beispiel an, die Anfangstemperatur der Reaktion beträgt 185 K, kühlt sich jedoch auf 95 K ab, wenn die Reaktion abgeschlossen ist. In diesem Problem wird T wie folgt berechnet:
T = T2 – T1 = 95K – 185K = - 90K
Schritt 5. Verwenden Sie zum Lösen die Formel H = m x s x T
Wenn Sie m, die Masse der Reaktanten, s, die spezifische Wärme der Produkte und T, die Temperaturänderung der Reaktion, haben, können Sie die Reaktionsenthalpie berechnen. Setze deine Werte in die Formel H = m x s x T ein und multipliziere zum Lösen. Ihre Antwort wird in Energieeinheiten geschrieben, nämlich Joule (J).
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Für unser Beispielproblem ist die Reaktionsenthalpie:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Schritt 6. Stellen Sie fest, ob Ihre Reaktion Energie aufnimmt oder verliert
Einer der häufigsten Gründe für die Berechnung von H für verschiedene Reaktionen ist die Bestimmung, ob die Reaktion exotherm (Energieverlust und Wärmeabgabe) oder endotherm (Energiegewinn und Wärmeaufnahme) ist. Wenn das Vorzeichen Ihrer endgültigen Antwort für H positiv ist, ist die Reaktion endotherm. Ist das Vorzeichen dagegen negativ, ist die Reaktion exotherm. Je größer die Zahl, desto größer die exo- oder endotherme Reaktion. Seien Sie vorsichtig bei starken exothermen Reaktionen - sie setzen manchmal große Energiemengen frei, die bei sehr schneller Freisetzung eine Explosion verursachen können.
In unserem Beispiel lautet die endgültige Antwort -13608J. Da das Vorzeichen negativ ist, wissen wir, dass unsere Reaktion exotherm. Das macht Sinn - H2 und O2 ist ein Gas, während H2O, das Produkt, ist eine Flüssigkeit. Das Heißgas (in Form von Dampf) muss Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgeben, um es zu einer Flüssigkeit abzukühlen, d. h. die Reaktion zu H2O ist exotherm.
Methode 2 von 3: Schätzen der Enthalpiegröße
Schritt 1. Verwenden Sie Bindungsenergien, um die Enthalpie abzuschätzen
Fast alle chemischen Reaktionen beinhalten die Bildung oder das Aufbrechen von Bindungen zwischen Atomen. Da bei chemischen Reaktionen keine Energie vernichtet oder erzeugt werden kann, kann man, wenn man weiß, wie viel Energie zum Knüpfen bzw Energien.
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Zum Beispiel verwendet die Reaktion H2 + F2 → 2HF. In dieser Gleichung ist die zum Abbau der H-Atome im H.-Molekül erforderliche Energie2 beträgt 436 kJ/mol, während die für F. benötigte Energie2 beträgt 158 kJ/mol. Schließlich beträgt die Energie, die erforderlich ist, um HF aus H und F zu bilden, = -568 kJ/mol. Wir multiplizieren mit 2, weil das Produkt in der Gleichung 2 HF ist, also 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Wenn wir sie alle zusammenzählen, erhalten wir:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Schritt 2. Verwenden Sie die Bildungsenthalpie, um die Enthalpie abzuschätzen
Die Bildungsenthalpie ist eine Reihe von Werten H, die die Enthalpieänderung einer Reaktion zur Herstellung einer chemischen Substanz darstellt. Wenn Sie die Bildungsenthalpie kennen, die erforderlich ist, um die Produkte und Reaktanten in der Gleichung zu erzeugen, können Sie sie addieren, um die Enthalpie wie die oben beschriebenen Bindungsenergien abzuschätzen.
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Die verwendete Gleichung C2h5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. In dieser Gleichung wissen wir, dass die Bildungsenthalpie für die folgende Reaktion ist:
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
Da wir diese Gleichungen summieren können, um C. zu erhalten2h5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, aus der Reaktion, die wir versuchen, die Enthalpie zu finden, müssen wir nur die Enthalpie der obigen Bildungsreaktion addieren, um die Enthalpie dieser Reaktion wie folgt zu bestimmen:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Schritt 3. Vergessen Sie nicht, das Vorzeichen zu ändern, wenn Sie die Gleichung umkehren
Es ist wichtig zu beachten, dass Sie, wenn Sie die Bildungsenthalpie zur Berechnung der Reaktionsenthalpie verwenden, das Vorzeichen der Bildungsenthalpie ändern müssen, wenn Sie die Reaktionsgleichung der Elemente umkehren. Mit anderen Worten, wenn Sie eine oder mehrere Ihrer Gleichungen für die Bildung einer Reaktion umdrehen, so dass sich die Produkte und die Reaktanten gegenseitig aufheben, ändern Sie das Vorzeichen der Enthalpie der Bildungsreaktion, die Sie vertauschen.
Beachten Sie im obigen Beispiel, dass die Bildungsreaktion, die wir für C2h5OH auf den Kopf gestellt. C2h5OH → 2C + 3H2 +0.5O2 C. anzeigen2h5OH wird gespalten, nicht gebildet. Da wir diese Gleichung umgedreht haben, sodass sich Produkte und Reaktanten gegenseitig aufheben, änderten wir das Vorzeichen der Bildungsenthalpie auf 228 kJ/mol. Tatsächlich ist die Bildungsenthalpie für C2h5OH ist -228 kJ/mol.
Methode 3 von 3: Beobachtung der Enthalpieänderung in Experimenten
Schritt 1. Nehmen Sie einen sauberen Behälter und füllen Sie ihn mit Wasser
Mit einem einfachen Experiment lässt sich das Enthalpieprinzip leicht erkennen. Um sicherzustellen, dass Ihre experimentelle Reaktion nicht mit externen Substanzen kontaminiert wird, reinigen und sterilisieren Sie die Behälter, die Sie verwenden möchten. Wissenschaftler verwenden spezielle versiegelte Behälter, sogenannte Kalorimeter, um die Enthalpie zu messen, aber Sie können mit jedem Glas oder kleinen Reagenzglas gute Ergebnisse erzielen. Welchen Behälter Sie auch immer verwenden, füllen Sie ihn mit sauberem Wasser mit Raumtemperatur. Sie sollten auch in einem kalten Raum experimentieren.
Für dieses Experiment benötigen Sie einen ziemlich kleinen Behälter. Wir werden den Einfluss der Enthalpieänderung von Alka-Seltzer auf Wasser untersuchen. Je weniger Wasser Sie verwenden, desto stärker wird die Temperaturänderung sein
Schritt 2. Setzen Sie das Thermometer in den Behälter ein
Nehmen Sie ein Thermometer und stellen Sie es so in den Behälter, dass die Spitze des Thermometers unter Wasser ist. Lesen Sie die Temperatur des Wassers ab - für unsere Zwecke wird die Temperatur des Wassers mit T1 bezeichnet, der Anfangstemperatur der Reaktion.
Nehmen wir an, wir messen die Temperatur von Wasser und das Ergebnis ist 10 Grad C. In wenigen Schritten werden wir diese Temperaturwerte verwenden, um das Prinzip der Enthalpie zu beweisen
Schritt 3. Fügen Sie dem Behälter einen Alka-Seltzer hinzu
Wenn Sie bereit sind, mit dem Experiment zu beginnen, lassen Sie einen Alka-Seltzer ins Wasser fallen. Sie werden sofort bemerken, dass das Korn blubbert und zischt. Wenn sich die Kügelchen in Wasser auflösen, zerfallen sie in das chemische Bicarbonat (HCO.).3-) und Zitronensäure (die in Form von Wasserstoffionen reagiert, H+). Diese Chemikalien reagieren zu Wasser und Kohlendioxidgas in der Gleichung 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Schritt 4. Messen Sie die Temperatur, wenn die Reaktion abgeschlossen ist
Beobachten Sie, wie die Reaktion abläuft - das Alka-Seltzer-Granulat löst sich langsam auf. Sobald die Kornreaktion endet (oder sich verlangsamt hat), messen Sie die Temperatur erneut. Das Wasser sollte kälter sein als zuvor. Wenn es wärmer ist, kann das Experiment durch äußere Kräfte beeinflusst werden (z. B. wenn der Raum, in dem Sie sich befinden, warm ist).
Nehmen wir für unser experimentelles Beispiel an, dass die Wassertemperatur 8 °C beträgt, nachdem die Körner aufgehört haben zu sprudeln
Schritt 5. Schätzen Sie die Reaktionsenthalpie ab
In einem idealen Experiment, wenn Sie ein Alka-Seltzer-Korn in Wasser fallen lassen, bildet es Wasser und Kohlendioxidgas (das Gas kann als zischende Blase beobachtet werden) und lässt die Temperatur des Wassers sinken. Aus diesen Informationen gehen wir davon aus, dass die Reaktion endotherm ist, dh sie absorbiert Energie aus der Umgebung. Die gelösten flüssigen Reaktanden benötigen zusätzliche Energie, um ein gasförmiges Produkt zu erzeugen, daher nehmen sie Energie in Form von Wärme aus der Umgebung (in diesem Experiment Wasser) auf. Dadurch sinkt die Wassertemperatur.
