In tutte le reazioni chimiche, il calore può essere ricevuto dall'ambiente circostante o rilasciato nell'ambiente circostante. Lo scambio di calore tra una reazione chimica e il suo ambiente è noto come entalpia della reazione, o H. Tuttavia, H non può essere misurato direttamente - invece, gli scienziati usano la variazione di temperatura di una reazione nel tempo per trovare la variazione di entalpia nel tempo (scritto come h). Con H, uno scienziato può determinare se una reazione emette calore (o è "esotermica") o riceve calore (o è "endotermica"). Generalmente, H = m x s x T, dove m è la massa dei reagenti, s è il calore specifico dei prodotti e T è la variazione di temperatura nella reazione.
Fare un passo
Metodo 1 di 3: risoluzione dei problemi di entalpia
Passaggio 1. Determinare la reazione dei prodotti e dei reagenti
Qualsiasi reazione chimica coinvolge due categorie chimiche: prodotti e reagenti. I prodotti sono sostanze chimiche che risultano da reazioni, mentre i reagenti sono sostanze chimiche che si combinano o si dividono per produrre prodotti. In altre parole, i reagenti di una reazione sono come gli ingredienti di una ricetta alimentare, mentre i prodotti sono il cibo finito. Per trovare l'H di una reazione, identificare prima i prodotti e i reagenti.
Ad esempio, supponiamo che troveremo l'entalpia della reazione per la formazione dell'acqua da idrogeno e ossigeno: 2H2 (Idrogeno) + O2 (Ossigeno) → 2H2O (Acqua). In questa equazione, h2 e oh2 è il reagente e h2oh è un prodotto.
Passaggio 2. Determinare la massa totale dei reagenti
Quindi, trova la massa dei tuoi reagenti. Se non conosci la sua massa e non puoi pesarla su una scala scientifica, puoi usare la sua massa molare per trovare la sua massa effettiva. La massa molare è una costante che si trova nella tavola periodica regolare (per i singoli elementi) e in altre fonti chimiche (per molecole e composti). Basta moltiplicare la massa molare di ciascun reagente per il numero di moli per trovare la massa dei reagenti.
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Nell'esempio dell'acqua, i nostri reagenti sono i gas idrogeno e ossigeno, che hanno masse molari di 2 ge 32 g. Poiché stiamo usando 2 moli di idrogeno (a giudicare dal coefficiente di 2 in H2) e 1 mole di ossigeno (a giudicare dall'assenza di coefficienti in O2), possiamo calcolare la massa totale dei reagenti come segue:
2 × (2 g) + 1 × (32 g) = 4 g + 32 g = 36 g
Passaggio 3. Trova il calore specifico del tuo prodotto
Quindi, trova il calore specifico del prodotto che stai analizzando. Ogni elemento o molecola ha un calore specifico specifico: questo valore è una costante e si trova solitamente nelle risorse didattiche di chimica (ad esempio, nella tabella in fondo a un libro di testo di chimica). Ci sono diversi modi per calcolare il calore specifico, ma per la formula che stiamo usando, stiamo usando l'unità Joule/grammo °C.
- Nota che se la tua equazione ha più prodotti, dovrai calcolare l'entalpia per le reazioni degli elementi utilizzati per produrre ciascun prodotto, quindi sommarli per trovare l'entalpia complessiva per la reazione.
- Nel nostro esempio, il prodotto finale è l'acqua, che ha un calore specifico di ca. 4,2 joule/grammo °C.
Passaggio 4. Trovare la differenza di temperatura dopo che si è verificata la reazione
Successivamente, troveremo T, la variazione di temperatura prima e dopo la reazione. Sottrai la temperatura iniziale della reazione (o T1) dalla temperatura finale dopo la reazione (o T2) per calcolarla. Come nella maggior parte dei lavori chimici, viene utilizzata la temperatura Kelvin (K) (sebbene Celsius (C) dia lo stesso risultato).
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Per il nostro esempio, diciamo che la temperatura iniziale della reazione è 185K ma si raffredda a 95K quando la reazione è completa. In questo problema, T viene calcolato come segue:
T = T2 – T1 = 95K – 185K = - 90K
Passaggio 5. Utilizzare la formula H = m x s x T per risolvere
Se hai m, la massa dei reagenti, s, il calore specifico dei prodotti e T, la variazione di temperatura della reazione, allora sei pronto per trovare l'entalpia della reazione. Inserisci i tuoi valori nella formula H = m x s x T e moltiplica per risolvere. La tua risposta è scritta in unità di energia, ovvero Joule (J).
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Per il nostro problema di esempio, l'entalpia della reazione è:
A = (36 g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90 K) = - 13.608 J
Passaggio 6. Determina se la tua reazione sta ricevendo o perdendo energia
Uno dei motivi più comuni per calcolare H per varie reazioni è determinare se la reazione è esotermica (perde energia e rilascia calore) o endotermica (acquista energia e assorbe calore). Se il segno della tua risposta finale per H è positivo, allora la reazione è endotermica. Nel frattempo, se il segno è negativo, la reazione è esotermica. Maggiore è il numero, maggiore è la reazione eso- o endotermica. Fai attenzione alle forti reazioni esotermiche: a volte rilasciano grandi quantità di energia che, se rilasciate molto rapidamente, possono causare un'esplosione.
Nel nostro esempio, la risposta finale è -13608J. Poiché il segno è negativo, sappiamo che la nostra reazione è esotermico. Questo ha senso - H2 e O2 è un gas, mentre H2O, il prodotto, è un liquido. Il gas caldo (sotto forma di vapore) deve rilasciare energia all'ambiente sotto forma di calore, per raffreddarlo fino a formare un liquido, cioè la reazione per formare H2O è esotermico.
Metodo 2 di 3: stima della dimensione dell'entalpia
Passaggio 1. Utilizzare le energie di legame per stimare l'entalpia
Quasi tutte le reazioni chimiche comportano la formazione o la rottura di legami tra atomi. Poiché nelle reazioni chimiche, l'energia non può essere distrutta o creata, se conosciamo la quantità di energia necessaria per formare o rompere i legami in una reazione, possiamo stimare la variazione di entalpia per la reazione complessiva con un alto grado di precisione sommando questi legami energie.
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Ad esempio, la reazione ha utilizzato H2 + Fa2 → 2HF. In questa equazione, l'energia richiesta per scomporre gli atomi di H nella molecola di H. è2 è 436 kJ/mol, mentre l'energia richiesta per F2 è 158 kJ/mol. Infine, l'energia richiesta per formare HF da H e F è = -568 kJ/mol. Moltiplichiamo per 2 perché il prodotto nell'equazione è 2 HF, quindi 2 × -568 = -1136 kJ/mol. Sommandoli tutti otteniamo:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Passaggio 2. Utilizzare l'entalpia di formazione per stimare l'entalpia
L'entalpia di formazione è un insieme di valori H che rappresenta la variazione di entalpia di una reazione per produrre una sostanza chimica. Se conosci l'entalpia di formazione richiesta per produrre i prodotti e i reagenti nell'equazione, puoi sommarli per stimare l'entalpia come le energie di legame descritte sopra.
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Ad esempio, l'equazione utilizzata C2h5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. In questa equazione, sappiamo che l'entalpia di formazione per la seguente reazione è:
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
Poiché possiamo sommare queste equazioni per ottenere C2h5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, dalla reazione che stiamo cercando di trovare l'entalpia, dobbiamo solo sommare l'entalpia della reazione di formazione sopra per trovare l'entalpia di questa reazione, come segue:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Passaggio 3. Non dimenticare di cambiare il segno quando inverti l'equazione
È importante notare che quando si utilizza l'entalpia di formazione per calcolare l'entalpia di una reazione, è necessario cambiare il segno dell'entalpia di formazione ogni volta che si inverte l'equazione per la reazione degli elementi. In altre parole, se inverti una o più delle tue equazioni per la formazione di una reazione in modo che i prodotti e i reagenti si annullino a vicenda, cambia il segno dell'entalpia della reazione di formazione che stai scambiando.
Nell'esempio sopra, si noti che la reazione di formazione che abbiamo usato per C2h5OH a testa in giù. C2h5OH → 2C + 3H2 +0,5O2 mostra C2h5OH è diviso, non formato. Poiché abbiamo invertito questa equazione in modo che i prodotti ei reagenti si annullassero a vicenda, abbiamo cambiato il segno dell'entalpia di formazione per dare 228 kJ/mol. Infatti, l'entalpia di formazione per C2h5OH è -228 kJ/mol.
Metodo 3 di 3: Osservazione del cambiamento di entalpia negli esperimenti
Passaggio 1. Prendi un contenitore pulito e riempilo d'acqua
È facile vedere il principio dell'entalpia con un semplice esperimento. Per assicurarti che la tua reazione sperimentale non sia contaminata da sostanze esterne, pulisci e sterilizza i contenitori che intendi utilizzare. Gli scienziati usano speciali contenitori sigillati chiamati calorimetri per misurare l'entalpia, ma puoi ottenere buoni risultati con qualsiasi vetro o provetta. Qualunque sia il contenitore che usi, riempilo con acqua pulita a temperatura ambiente. Dovresti anche sperimentare in una stanza con una temperatura fredda.
Per questo esperimento, avrai bisogno di un contenitore abbastanza piccolo. Esamineremo l'effetto del cambiamento di entalpia di Alka-Seltzer sull'acqua, quindi meno acqua usi, più pronunciato sarà il cambiamento di temperatura
Passaggio 2. Inserire il termometro nel contenitore
Prendi un termometro e mettilo nel contenitore in modo che la punta del termometro sia sott'acqua. Leggi la temperatura dell'acqua - per i nostri scopi, la temperatura dell'acqua è indicata con T1, la temperatura iniziale della reazione.
Diciamo che misuriamo la temperatura dell'acqua e il risultato è 10 gradi C. In pochi passaggi, useremo queste letture della temperatura per dimostrare il principio dell'entalpia
Passaggio 3. Aggiungere un Alka-Seltzer al contenitore
Quando sei pronto per iniziare l'esperimento, fai cadere un Alka-Seltzer nell'acqua. Noterai subito che il grano ribolle e sibila. Quando le perle si dissolvono in acqua, si decompongono nel bicarbonato chimico (HCO.).3-) e acido citrico (che reagisce sotto forma di ioni idrogeno, H+). Queste sostanze chimiche reagiscono per formare acqua e anidride carbonica nell'equazione 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Passaggio 4. Misurare la temperatura quando la reazione è completa
Guarda come procede la reazione: i granuli di Alka-Seltzer si dissolveranno lentamente. Non appena la reazione del grano termina (o è rallentata), misurare nuovamente la temperatura. L'acqua dovrebbe essere più fredda di prima. Se fa più caldo, l'esperimento potrebbe essere influenzato da forze esterne (ad esempio, se la stanza in cui ti trovi è calda).
Per il nostro esempio sperimentale, supponiamo che la temperatura dell'acqua sia di 8 gradi C dopo che i grani smettono di frizzare
Passaggio 5. Stimare l'entalpia della reazione
In un esperimento ideale, quando fai cadere un granello di Alka-Seltzer nell'acqua, forma acqua e anidride carbonica (il gas può essere osservato come una bolla sibilante) e fa abbassare la temperatura dell'acqua. Da queste informazioni, supponiamo che la reazione sia endotermica, ovvero assorbe energia dall'ambiente circostante. I reagenti liquidi disciolti richiedono energia aggiuntiva per produrre un prodotto gassoso, quindi assorbono energia sotto forma di calore dall'ambiente circostante (in questo esperimento, acqua). Questo fa diminuire la temperatura dell'acqua.
