So berechnen sie die enthalpie einer chemischen reaktion

Bei jeder chemischen Reaktion kann Wärme entweder aus der Umgebung genommen oder in sie freigesetzt werden. Der Wärmeaustausch zwischen einer chemischen Reaktion und seiner Umgebung ist als Reaktionsenthalpie oder H bekannt. Es kann jedoch nicht direkt gemessen werden - stattdessen verwenden Wissenschaftler die Veränderung bei der Temperatur einer Reaktion im Laufe der Zeit, um das zu finden Veränderung in der Enthalpie über die Zeit (bezeichnet als ΔH). Mit ΔH kann ein Wissenschaftler feststellen, ob eine Reaktion Wärme abgibt (oder "ist exotherme") oder nimmt Wärme (oder "ist endothermisch"). Im Allgemeinen, ΔH = M X S x Δt, Wenn M die Masse der Reaktanten ist, ist S die spezifische Wärme des Produkts, und Δt ist die Temperaturänderung von der Reaktion.

Schritte

Methode 1 von 3:
Probleme lösen
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1. Ermitteln Sie die Produkte und Reaktanten Ihrer Reaktion. Jede chemische Reaktion beinhaltet zwei Kategorien von Chemikalien - Produkte und Reaktanten. Produkte sind die Chemikalien erstellt durch die Reaktion, während Reaktanten die Chemikalien sind, die interagieren, kombinieren oder zusammenbrechen um das Produkt herzustellen. Mit anderen Worten, die Reaktanten einer Reaktion sind wie die Bestandteile in einem Rezept, während die Produkte wie das fertige Teller sind. Um Δh für eine Reaktion zu finden, identifizieren Sie zunächst seine Produkte und Reaktanten.
  • Nehmen wir als Beispiel an, wir möchten die Reaktionsenthalpie für die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff finden: 2H2 (Wasserstoff) + o2 (Sauerstoff) → 2h2O (Wasser). In dieser Gleichung, H2 und Ö2 sind die Reaktanten und H2Ö ist das produkt.
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    2. Bestimmen Sie die Gesamtmasse der Reaktanten. Als nächstes finden Sie die Massen Ihrer Reaktanten. Wenn Sie ihre Massen nicht kennen und die Reaktanten nicht in einem wissenschaftlichen Gleichgewicht wiegen können, können Sie ihre Molmassen verwenden, um ihre tatsächlichen Massen zu finden. Molmassen sind Konstanten, die auf Standard-Periodensystemen (für einzelne Elemente) und in anderen Chemieressourcen (für Moleküle und Verbindungen) zu finden sind. Multiplizieren Sie einfach die Molmasse jedes Reaktanten mit der Anzahl der Mol, die verwendet werden, um die Massen der Reaktanten zu finden.
  • In unserem Wasserbeispiel sind unsere Reaktanten Wasserstoff- und Sauerstoffgase, die Molmassen von 2G bzw. 32 g aufweisen. Da wir 2 Mol Wasserstoff verwendet haben (von der "2" Koeffizient in der Gleichung neben h2) und 1 Mol Sauerstoff (bezeichnet durch keinen Koeffizienten neben o2), können wir die Gesamtmasse der Reaktanten wie folgt berechnen:
    2 × (2g) + 1 × (32G) = 4G + 32G = 36g
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    3. Finden Sie die spezifische Hitze Ihres Produkts. Als nächstes finden Sie die spezifische Hitze des Produkts, das Sie analysieren. Jedes Element oder das Molekül hat einen bestimmten Wärmewert, der damit verbunden ist: Diese Werte sind Konstanten und befinden sich in der Regel in Chemieressourcen (wie zum Beispiel in Tischen auf der Rückseite eines Chemie-Lehrbuchs). Es gibt verschiedene Möglichkeiten, spezifische Wärme zu messen, aber für unsere Formel verwenden wir einen Wert, der in den Einheiten Joule / Gram ° C gemessen wird.
  • Beachten Sie, dass Sie, wenn Ihre Gleichung mehrere Produkte aufweist, die Enthalpieberechnung für die Komponentenreaktion durchführen müssen, die zur Herstellung jedes Produkts verwendet wird, und sie dann miteinander hinzufügen, um die Enthalpie für die gesamte Reaktion zu finden.
  • In unserem Beispiel ist das Endprodukt Wasser, das über eine bestimmte Wärme von ungefähr ist 4.2 Joule / Gramm ° C.
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    4. Finden Sie den Temperaturunterschied nach der Reaktion. Als nächstes finden wir Δt, die Temperaturänderung von vor der Reaktion auf nach der Reaktion. Subtrahieren Sie die Anfangstemperatur (oder T1) der Reaktion von der Endtemperatur (oder T2), um diesen Wert zu berechnen. Wie bei den meisten Chemiearbeiten sollten hier die Temperaturen von Kelvin (K) verwendet werden (obwohl Celsius (C) die gleichen Ergebnisse ergibt).
  • Sagen wir zu unserem Beispiel, dass unsere Reaktion von 185er Jahre von Anfang an war, aber bis zu 95k kühlte, bis sie fertig war. In diesem Fall würde Δt wie folgt berechnet:
    Δt = t2 - t1 = 95k - 185k = -90k
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    5. Verwenden Sie die Formel ΔH = M X S X ΔT zur Lösung. Sobald Sie M haben, ist die Masse Ihrer Reaktanten, s, der spezifischen Hitze Ihres Produkts und Δt die Temperaturänderung von Ihrer Reaktion, Sie sind bereit, die Reaktionsenthalpie zu finden. Stecken Sie einfach Ihre Werte in die Formel ΔH = M X S x Δt und multiplizieren, um zu lösen. Ihre Antwort wird in der Einheit von Energy Joules (J) sein.
  • Für unser Beispielproblem würden wir die Reaktionsenthalpie wie folgt finden:
    ΔH = (36 g) × (4.2 JK-1 G-1) × (-90k) =-13.608 J
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    6. Stellen Sie fest, ob Ihre Reaktion gewinnt oder Energie verliert. Eine der häufigsten Gründe, warum ΔH für verschiedene Reaktionen berechnet wird, besteht darin, zu bestimmen, ob die Reaktion exotherm ist (Energie verliert und Wärme abgibt) oder endotherm (gewinnt Energie und absorbiert Wärme). Wenn das Zeichen Ihrer endgültigen Antwort für ΔH positiv ist, ist die Reaktion endothermisch. Wenn dagegen das Zeichen negativ ist, ist die Reaktion exotherm. Je größer die Zahl selbst ist, desto mehr Exo- oder Endo-Thermic ist die Reaktion. Hüten stark exotherme Reaktionen - diese können manchmal eine große Freisetzung von Energie bedeuten, die, wenn schnell genug ist, eine Explosion verursachen kann.
  • In unserem Beispiel ist unsere endgültige Antwort -13608 J. Da das Zeichen negativ ist, wissen wir, dass unsere Reaktion ist exotherme. Dies macht Sinn - h2 und O2 sind Gase, während h2O, das Produkt, ist eine Flüssigkeit. Die heißen Gase (in Form von Dampf) müssen Energie in der Umwelt in Form von Wärme freigeben, um sich auf den Punkt abzukühlen, den sie flüssiges Wasser bilden können, was bedeutet, dass die Bildung von H2O ist exotherm.
    • Methode 2 von 3:
    Enthalpie schätzen
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    1. Verwenden Sie Bond-Energien, um Enthalpie zu schätzen. Nahezu alle chemischen Reaktionen beinhalten das Umformen oder Brüchen von Bindungen zwischen Atomen. Da in einer chemischen Reaktion Energie weder zerstört noch zerstört werden kann, wenn wir die Energie kennen, die erforderlich ist, um die Bindungen (oder gebrochene) in der Reaktion zu bilden oder zu brechen, können wir die Enthalpieänderung für die gesamte Reaktion mit hoher Genauigkeit schätzen Durch das Hinzufügen dieser Bond-Energien.
    • Betrachten wir zum Beispiel die Reaktion H2 + F2 → 2HF. In diesem Fall ist die Energie, die erforderlich ist, um die H-Atome in der H zu brechen2 Molekül auseinander ist 436 kJ / mol, während die für f erforderliche Energie2 ist 158 ​​kJ / mol. Schließlich ist die Energie, die erforderlich ist, um HFFROM H und F zu bilden, ist = -568 kJ / mol. Wir multiplizieren das mit 2, weil das Produkt in der Gleichung ist 2HF, geben uns 2 × -568 = -1136 kJ / mol. Hinzufügen von allem, wir bekommen:
      436 + 158 + -1136 = -542 kj / mol.
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    2. Verwenden Sie Enthalpies der Bildung, um die Enthalpie zu schätzen. Enthalpies der Bildung sind eingestellte ΔH-Werte, die die Enthalpieänderungen von Reaktionen darstellen, die zum Erstellen gegebener Chemikalien verwendet werden. Wenn Sie die Enthalpien der Formation kennen, die zum Erstellen von Produkten und Reaktanten in einer Gleichung erforderlich sind, können Sie sie hinzufügen, um die Enthalpie viel zu schätzen, da Sie mit Bond-Energien wie oben beschrieben wären.
  • Betrachten wir zum Beispiel die Reaktion c2H5Oh + 3o2 → 2co2 + 3h2Ö. In diesem Fall kennen wir die Enthalpien der Bildung für die folgenden Reaktionen:
    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 können wir diese Gleichungen bis zu GETC hinzufügen2H5Oh + 3o2 → 2co2 + 3h2O, die Reaktion, die wir versuchen, die Enthalpie dafür zu finden, können wir einfach die Enthalpien der oben genannten Formationsreaktionen hinzufügen, um die Enthalpie dieser Reaktion wie folgt zu finden:
    228 + -788 + -858 = -1418 kJ / mol.
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    3. Vergessen Sie nicht, Schilde beim Umkehren von Gleichungen zu wechseln. Es ist wichtig zu beachten, dass, wenn Sie Enthalpies der Bildung verwenden, um die Enthalpie einer Reaktion zu berechnen, müssen Sie das Zeichen der Enthalpie der Formation umkehren, wenn Sie die Gleichung der Komponentenreaktion umkehren. Mit anderen Worten, wenn Sie einen oder mehrere Ihrer Formationsreaktionsgleichungen nach hinten drehen müssen, um alle Ihre Produkte und Reaktanten zu erhalten, um ordnungsgemäß abzubrechen, um das Zeichen der Enthalpien der Formationsreaktionen umzukehren, die Sie kippen mussten.
  • Beachten Sie in dem obigen Beispiel, dass die Formationsreaktion, die wir für C verwenden2H5Oh ist rückwärts. C2H5Oh → 2c + 3h2 + 0.5o2 zeigt C2H5Oh brechen, nicht gebildet. Da wir die Gleichung umdrehten, um alle Produkte und Reaktanten umzusetzen, um alle Produkte und Reaktanten richtig abzubrechen, kehrte wir das Zeichen der Enthalpie der Bildung um, um uns 228 kJ / Mol zu geben. In Wirklichkeit die Enthalpie der Bildung für c2H5Oh ist -228 kJ / mol.
    • Methode 3 von 3:
    Beobachtung der Enthalpieveränderungen experimentell
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    1. Schnappen Sie sich einen sauberen Behälter und füllen Sie es mit Wasser. Es ist leicht, die Prinzipien der Enthalpie in Aktion mit einem einfachen Experiment zu sehen. Um sicherzustellen, dass die Reaktion in Ihrem Experiment ohne ausländische Kontamination stattfindet, sauber und sterilisieren Sie den Behälter, den Sie verwenden möchten. Wissenschaftler verwenden spezielle geschlossene Container namens Calorimeter, um die Enthalpie zu messen, aber Sie können vernünftige Ergebnisse mit einem kleinen Glasgefäß oder einem Kolben erreichen. Unabhängig von dem von Ihnen verwendeten Container füllen Sie es mit sauberem, Raumtemperatur-Leitungswasser aus. Sie werden auch die Reaktion irgendwo in Innenräumen mit einer kühlen Temperatur durchführen.
    • Für dieses Experiment möchten Sie einen ziemlich kleinen Behälter. Wir testen die enthalpy-veränderten Wirkungen von Alka-Seltzer auf Wasser, so dass das weniger Wasser verwendet wird, desto offensichtlicher ist der Temperaturänderung.
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    2. Legen Sie ein Thermometer in den Behälter ein. Schnappen Sie sich ein Thermometer und stellen Sie es in den Behälter ein, so dass das Temperaturleseende unter dem Wasserspiegel sitzt. Nehmen Sie eine Temperaturablesung des Wassers - Für unsere Zwecke repräsentiert die Temperatur des Wassers T1, die Anfangstemperatur der Reaktion.
  • Sagen wir, dass wir die Wassertemperatur messen und feststellen, dass es genau 10 Grad C ist. In einigen Schritten verwenden wir diese Mustertemperatur-Lektüre, um die Prinzipien der Enthalpie zu demonstrieren.
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    3. Fügen Sie dem Container ein Alka-Seltzer-Tablet hinzu. Wenn Sie bereit sind, das Experiment zu starten, lassen Sie ein einzelnes Alka-Seltzer-Tablet in das Wasser fallen. Sie sollten es bemerken, dass es sofort zu Bubble and Fizz beginnt. Wenn sich das Tablet im Wasser löst, bricht es in das Chemikalien Bicarbonat (HCO3) und Zitronensäure (die in Form von Wasserstoffionen reagiert, H). Diese Chemikalien reagieren auf Wasser- und Kohlendioxidgas in der Reaktion 3HCO3 + 3h → 3h2O + 3co2.
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    4. Messen Sie die Temperatur, wenn die Reaktion endet. Überwachen Sie die Reaktion, während er fortsetzt - das Alka-Seltzer-Tablet sollte sich allmählich auflösen. Sobald das Tablet seine Reaktion beendet (oder scheint, sich zu einem Kriechen verlangsamt zu haben), messen Sie die Temperatur erneut. Das Wasser sollte etwas kälter sein als zuvor. Wenn es wärmer ist, kann das Experiment von einer äußeren Kraft beeinflusst (wie zum Beispiel, wenn der Raum, den Sie in sind, besonders warm).
  • Sagen wir für unser Beispielexperiment, dass die Temperatur des Wassers 8 Grad C ist, nachdem das Tablet mit dem Fzideting abgeschlossen ist.
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    5. Schätzen die Enthalpie der Reaktion. Wenn Sie in einem idealen Experiment das Alka-Seltzer-Tablet zum Wasser hinzufügen, bildet sie Wasser- und Kohlendioxidgas (der letztere davon kann als Fziblenblasen beobachtet werden können) und verursacht die Temperatur des Wassers. Von diesen Informationen würden wir erwarten, dass die Reaktion endothermisch ist - das heißt, eine, die Energie aus der umgebenden Umgebung absorbiert. Die gelösten flüssigen Reaktanten benötigen zusätzliche Energie, um den Sprung zum gasförmigen Produkt zu machen, sodass sie Energie in Form von Wärme aus seiner Umgebung ergreift (in diesem Fall Wasser). Dies macht das Wasser des Wassers.
  • In unserem Beispielexperiment fiel die Temperatur des Wassers nach dem Hinzufügen des Alka-Seltzer zwei Grad. Dies stimmt mit der Art von leicht endothermischen Reaktion überein, die wir erwarten würden.

    • Tipps

    Diese Berechnungen erfolgen mit Kelvin (k) - eine Skala zur Temperaturmessung genauso wie Celsius. Um zwischen der Welgrad und dem Kelvin umzuwandeln, fügen Sie einfach 273 Grad hinzu: k = ° C + 273.
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