در تمام واکنش های شیمیایی ، گرما را می توان از محیط اطراف دریافت یا به محیط اطراف رها کرد. تبادل حرارت بین یک واکنش شیمیایی و محیط آن به عنوان آنتالپی واکنش یا H. با گذشت زمان (نوشته شده به عنوان ح) با استفاده از H ، یک دانشمند می تواند تعیین کند که آیا واکنش گرما می دهد (یا "گرمازا" است) یا گرما دریافت می کند (یا "گرمازا" است). به طور کلی ، H = m x s x T ، جایی که m جرم واکنش دهنده ها است ، s حرارت ویژه محصولات است و T تغییر دما در واکنش است.
گام
روش 1 از 3: حل مشکلات آنتالپی
مرحله 1. واکنش محصولات و واکنش دهنده های خود را تعیین کنید
هر واکنش شیمیایی شامل دو دسته شیمیایی است - محصولات و واکنش دهنده ها. محصولات مواد شیمیایی هستند که در نتیجه واکنش ها ایجاد می شوند ، در حالی که واکنش دهنده ها مواد شیمیایی هستند که برای تولید محصولات با هم ترکیب شده یا تقسیم می شوند. به عبارت دیگر ، واکنش دهنده های واکنش مانند مواد تشکیل دهنده دستور غذا هستند ، در حالی که محصولات غذای نهایی هستند. برای یافتن H یک واکنش ، ابتدا محصولات و واکنش دهنده ها را مشخص کنید.
به عنوان مثال ، بگویید آنتالپی واکنش را برای تشکیل آب از هیدروژن و اکسیژن پیدا می کنیم: 2H2 (هیدروژن) + O2 (اکسیژن) → 2H2O (آب) در این معادله ، ح2 و O2 واکنش دهنده است و ح2O یک محصول است
مرحله 2. جرم کل واکنش دهنده ها را تعیین کنید
در مرحله بعد ، جرم واکنش دهنده های خود را پیدا کنید. اگر جرم آن را نمی دانید و نمی توانید آن را در مقیاس علمی وزن کنید ، می توانید از جرم مولی آن برای پیدا کردن جرم واقعی آن استفاده کنید. جرم مولی ثابت است که در جدول تناوبی منظم (برای عناصر منفرد) و سایر منابع شیمیایی (برای مولکولها و ترکیبات) یافت می شود. فقط جرم مولی هر واکنش دهنده را در تعداد مول ضرب کنید تا جرم واکنش دهنده ها را پیدا کنید.
-
در مثال آب ، واکنش دهنده های ما گازهای هیدروژن و اکسیژن هستند که جرم مولی آنها 2 گرم و 32 گرم است. از آنجا که ما از 2 مول هیدروژن استفاده می کنیم (با ضریب 2 در H قضاوت می شود2) و 1 مول اکسیژن (بر اساس عدم وجود ضرایب در O2) ، ما می توانیم جرم کل واکنش دهنده ها را به صورت زیر محاسبه کنیم:
2 × (2 گرم) + 1 × (32 گرم) = 4 گرم + 32 گرم = 36 گرم
مرحله 3. گرمای خاص محصول خود را پیدا کنید
در مرحله بعد ، گرمای خاص محصول مورد تجزیه و تحلیل را پیدا کنید. هر عنصر یا مولکول دارای حرارت خاصی است: این مقدار ثابت است و معمولاً در منابع یادگیری شیمی یافت می شود (به عنوان مثال ، در جدول پشت کتاب درسی شیمی). روشهای مختلفی برای محاسبه گرمای خاص وجود دارد ، اما برای فرمول مورد استفاده ما از واحد ژول/گرم درجه سانتی گراد استفاده می کنیم.
- توجه داشته باشید که اگر معادله شما چندین محصول داشته باشد ، باید آنتالپی واکنش عناصر مورد استفاده برای تولید هر محصول را محاسبه کنید ، سپس آنها را جمع کنید تا آنتالپی کلی واکنش را پیدا کنید.
- در مثال ما ، محصول نهایی آب است که دارای حرارت خاصی تقریبا است. 4.2 ژول/گرم درجه سانتی گراد.
مرحله 4. تفاوت دما را پس از وقوع واکنش پیدا کنید
در مرحله بعد ، T را مشاهده می کنیم ، تغییر دما قبل و بعد از واکنش. برای محاسبه دمای اولیه واکنش (یا T1) را از دمای نهایی پس از واکنش (یا T2) کم کنید. همانطور که در اکثر کارهای شیمیایی ، از دمای کلوین (K) استفاده می شود (اگرچه درجه سانتیگراد (C) همان نتیجه را می دهد).
-
برای مثال ما ، فرض کنید دمای اولیه واکنش 185K است اما وقتی واکنش کامل شد تا 95K سرد می شود. در این مسئله ، T به صورت زیر محاسبه می شود:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 هزار
مرحله 5. برای حل از فرمول H = m x s x T استفاده کنید
اگر m ، جرم واکنش دهنده ها ، s ، گرمای مخصوص محصولات و T ، تغییر دمای واکنش را داشته باشید ، آنگاه آمادگی پیدا کردن آنتالپی واکنش را دارید. مقادیر خود را به فرمول H = m x s x T وصل کرده و ضرب کنید تا حل شود. پاسخ شما در واحدهای انرژی ، یعنی ژول (J) نوشته شده است.
-
برای مشکل مثال ما ، آنتالپی واکنش عبارت است از:
H = (36 گرم) (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13،608 J
مرحله 6. تعیین کنید که آیا واکنش شما در حال دریافت یا از دست دادن انرژی است
یکی از رایج ترین دلایل محاسبه H برای واکنشهای مختلف ، تعیین این است که آیا واکنش گرما زا است (انرژی را از دست می دهد و گرما را آزاد می کند) یا گرما زا است (انرژی به دست می آورد و گرما را جذب می کند). اگر علامت پاسخ نهایی شما برای H مثبت باشد ، واکنش گرماگیر است. در همین حال ، اگر علامت منفی باشد ، واکنش گرمازا است. هرچه این عدد بیشتر باشد ، واکنش گرمازا یا گرمازا بیشتر است. مراقب واکنشهای گرمازا شدید باشید - گاهی اوقات مقادیر زیادی انرژی آزاد می کنند ، که اگر خیلی سریع آزاد شود ، می تواند باعث انفجار شود.
در مثال ما ، پاسخ نهایی -13608J است. از آنجا که علامت منفی است ، می دانیم که واکنش ما منفی است گرمازا به این منطقی است - ح2 و O2 گاز است ، در حالی که H2O ، محصول ، مایع است. گاز داغ (به شکل بخار) باید انرژی را به صورت گرما به محیط منتقل کند ، تا آن را خنک کند و به شکل مایع درآید ، یعنی واکنش به شکل H2O گرمازا است.
روش 2 از 3: برآورد اندازه آنتالپی
مرحله 1. برای برآورد آنتالپی از انرژی پیوند استفاده کنید
تقریباً همه واکنش های شیمیایی شامل تشکیل یا شکستن پیوند بین اتم ها می شود. از آنجا که در واکنش های شیمیایی ، انرژی را نمی توان از بین برد یا ایجاد کرد ، اگر مقدار انرژی مورد نیاز برای تشکیل یا شکستن پیوندها در یک واکنش را بدانیم ، می توانیم با افزودن این پیوندها ، تغییر آنتالپی واکنش کلی را با درجه بالایی از دقت تخمین بزنیم. انرژی ها
-
به عنوان مثال ، واکنش از H استفاده کرد2 + F2 H 2HF در این معادله ، انرژی مورد نیاز برای تجزیه اتمهای H در مولکول H برابر است2 436 کیلوژول بر مول است ، در حالی که انرژی مورد نیاز برای F2 158 کیلوژول بر مول است. در نهایت ، انرژی مورد نیاز برای تشکیل HF از H و F = -568 کیلوژول بر مول است. ما در 2 ضرب می کنیم زیرا محصول در معادله 2 HF است ، بنابراین 2 × -568 = -1136 kJ/mol است. همه آنها را با هم جمع می کنیم:
436 + 158 + -1136 = - 542 کیلوژول بر مول.
مرحله 2. از آنتالپی تشکیل برای تخمین آنتالپی استفاده کنید
آنتالپی تشکیل مجموعه ای از مقادیر H است که نشان دهنده تغییر آنتالپی واکنش برای تولید یک ماده شیمیایی است. اگر آنتالپی تشکیل مورد نیاز برای تولید محصولات و واکنش دهنده ها در معادله را می دانید ، می توانید آنها را برای تخمین آنتالپی مانند انرژی پیوندی که در بالا توضیح داده شد ، جمع کنید.
-
به عنوان مثال ، از معادله C استفاده شده است2ح5OH + 3O2 CO 2CO2 + 3H2O. در این معادله ، می دانیم که آنتالپی تشکیل واکنش زیر است:
ج2ح5OH → 2C + 3H2 +0.5O2 = 228 کیلوژول بر مول
2C + 2O2 CO 2CO2 = -394 × 2 = -788 کیلوژول بر مول
3H2 +1.5 O2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 کیلوژول/مول
از آنجا که ما می توانیم این معادلات را برای بدست آوردن C جمع کنیم2ح5OH + 3O2 CO 2CO2 + 3H2O ، از واکنشی که ما در تلاش برای یافتن آنتالپی هستیم ، فقط باید آنتالپی واکنش تشکیلات بالا را برای یافتن آنتالپی این واکنش به شرح زیر جمع کنیم:
228 + -788 + -858 = - 1418 کیلوژول بر مول.
مرحله 3. هنگام تغییر معادله تغییر علامت را فراموش نکنید
توجه به این نکته ضروری است که وقتی از آنتالپی تشکیل برای محاسبه آنتالپی واکنش استفاده می کنید ، هر زمان که معادله واکنش عناصر را معکوس می کنید ، باید علامت آنتالپی تشکیل را تغییر دهید. به عبارت دیگر ، اگر یک یا چند معادله خود را برای تشکیل واکنش معکوس کنید تا محصولات و واکنش دهنده ها یکدیگر را خنثی کنند ، علامت آنتالپی واکنش تشکیل را که در حال تعویض هستید تغییر دهید.
در مثال بالا ، توجه داشته باشید که واکنش تشکیل ما برای C استفاده کردیم2ح5اوه وارونه ج2ح5OH → 2C + 3H2 +0.5O2 نشان دادن C2ح5OH شکسته می شود ، شکل نمی گیرد. از آنجا که ما این معادله را معکوس کردیم تا محصولات و واکنش دهنده ها یکدیگر را لغو کنند ، علامت آنتالپی تشکیل را به 228 کیلوژول بر مول تغییر دادیم. در واقع آنتالپی تشکیل برای C2ح5OH -228 کیلوژول بر مول است.
روش 3 از 3: مشاهده تغییر آنتالپی در آزمایش ها
مرحله 1. یک ظرف تمیز بردارید و آن را با آب پر کنید
به راحتی می توان اصل آنتالپی را با یک آزمایش ساده مشاهده کرد. برای اطمینان از عدم آلودگی واکنش تجربی به مواد خارجی ، ظروفی را که قصد استفاده از آنها را دارید تمیز و استریل کنید. دانشمندان برای اندازه گیری آنتالپی از ظروف بسته شده مخصوصی به نام کالری متر استفاده می کنند ، اما با هر شیشه یا لوله آزمایش کوچک می توانید نتایج خوبی را بدست آورید. از هر ظرفی که استفاده می کنید ، آن را با آب تمیز و دمای اتاق پر کنید. همچنین باید در اتاقی با دمای سرد آزمایش کنید.
برای این آزمایش ، شما به یک ظرف نسبتاً کوچک نیاز دارید. ما تأثیر تغییر آنتالپی Alka-Seltzer را روی آب بررسی می کنیم ، بنابراین هرچه از آب کمتری استفاده کنید ، تغییر دما بیشتر مشخص می شود
مرحله 2. دماسنج را داخل ظرف قرار دهید
یک دماسنج بردارید و آن را در ظرف قرار دهید تا نوک دماسنج زیر آب باشد. دمای آب را بخوانید - برای اهداف ما ، دمای آب با T1 ، دمای اولیه واکنش نشان داده می شود.
فرض کنید ما دمای آب را اندازه گیری می کنیم و نتیجه 10 درجه سانتی گراد است. در چند مرحله ، از این قرائت های دما برای اثبات اصل آنتالپی استفاده می کنیم
مرحله 3. یک Alka-Seltzer را به ظرف اضافه کنید
هنگامی که آماده شروع آزمایش هستید ، یک Alka-Seltzer را در آب بیندازید. بلافاصله متوجه خواهید شد که دانه ها در حال حباب زدن و خش خش هستند. هنگامی که دانه ها در آب حل می شوند ، به بی کربنات شیمیایی (HCO.) تجزیه می شوند.3-) و اسید سیتریک (که به شکل یون هیدروژن ، H واکنش نشان می دهد+) این مواد شیمیایی در معادله 3HCO به آب و گاز دی اکسید کربن واکنش نشان می دهند3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
مرحله 4. هنگامی که واکنش کامل شد ، دما را اندازه گیری کنید
مراقب ادامه واکنش باشید - گرانول های آلکا -سلتزر به آرامی حل می شوند. به محض پایان واکنش دانه (یا کاهش سرعت آن) ، دوباره دما را اندازه گیری کنید. آب باید سردتر از قبل شود. اگر گرمتر است ، آزمایش ممکن است تحت تأثیر نیروهای خارجی قرار گیرد (به عنوان مثال ، اگر اتاقی که در آن هستید گرم است).
برای مثال تجربی ما ، فرض کنید دمای آب پس از متوقف شدن گاز گرفتن دانه ها 8 درجه سانتیگراد است
مرحله 5. آنتالپی واکنش را تخمین بزنید
در یک آزمایش ایده آل ، هنگامی که دانه ای آلکا-سلتزر را در آب می اندازید ، آب و گاز دی اکسید کربن تشکیل می دهد (این گاز را می توان به عنوان یک حباب خش خش مشاهده کرد) و باعث کاهش دمای آب می شود. از این اطلاعات ، ما حدس می زنیم که واکنش گرماگیر است - یعنی انرژی را از محیط اطراف جذب می کند. واکنش دهنده های مایع محلول برای تولید یک محصول گازی به انرژی اضافی نیاز دارند ، بنابراین انرژی را به شکل گرما از محیط اطراف جذب می کنند (در این آزمایش ، آب). این امر باعث کاهش دمای آب می شود.
