Trong tất cả các phản ứng hóa học, nhiệt có thể nhận từ môi trường xung quanh hoặc tỏa ra môi trường xung quanh. Sự trao đổi nhiệt giữa một phản ứng hóa học và môi trường của nó được gọi là entanpi của phản ứng, hay H. Tuy nhiên, H không thể được đo trực tiếp - thay vào đó, các nhà khoa học sử dụng sự thay đổi nhiệt độ của phản ứng theo thời gian để tìm ra sự thay đổi trong entanpi. theo thời gian (viết là NS). Với H, một nhà khoa học có thể xác định xem một phản ứng tỏa nhiệt (hoặc là "tỏa nhiệt") hay nhận nhiệt (hoặc là "thu nhiệt"). Nói chung, H = m x s x T, trong đó m là khối lượng của các chất phản ứng, s là nhiệt dung riêng của các sản phẩm và T là sự thay đổi nhiệt độ trong phản ứng.
Bươc chân
Phương pháp 1/3: Giải quyết vấn đề Enthalpy
Bước 1. Xác định phản ứng của các sản phẩm và chất phản ứng của bạn
Bất kỳ phản ứng hóa học nào cũng liên quan đến hai loại hóa học - sản phẩm và chất phản ứng. Sản phẩm là các chất hóa học là kết quả của các phản ứng, trong khi chất phản ứng là các chất hóa học kết hợp hoặc tách ra để tạo ra sản phẩm. Nói cách khác, các chất phản ứng của một phản ứng giống như các thành phần của một công thức thực phẩm, trong khi sản phẩm là thực phẩm thành phẩm. Để tìm H của một phản ứng, trước hết, xác định các sản phẩm và chất phản ứng.
Ví dụ, giả sử chúng ta sẽ tìm entanpi của phản ứng tạo nước từ hydro và oxy: 2H2 (Hydro) + O2 (Oxy) → 2H2O (Nước). Trong phương trình này, NS2 và O2 là chất phản ứng và NS2O là một sản phẩm.
Bước 2. Xác định tổng khối lượng của các chất phản ứng
Tiếp theo, tìm khối lượng của các chất phản ứng của bạn. Nếu bạn không biết khối lượng của nó và không thể cân nó trên một quy mô khoa học, bạn có thể sử dụng khối lượng phân tử của nó để tìm khối lượng thực của nó. Khối lượng mol là một hằng số có thể được tìm thấy trong bảng tuần hoàn thông thường (đối với các nguyên tố đơn lẻ) và các nguồn hóa học khác (đối với phân tử và hợp chất). Chỉ cần nhân khối lượng mol của mỗi chất phản ứng với số mol để tìm khối lượng của các chất phản ứng.
-
Trong ví dụ về nước, chất phản ứng của chúng ta là khí hydro và khí oxy, có khối lượng mol là 2 g và 32 g. Vì chúng ta đang sử dụng 2 mol hydro (xét theo hệ số của 2 trong H2) và 1 mol oxy (xét theo sự vắng mặt của hệ số trong O2), ta có thể tính tổng khối lượng của các chất phản ứng như sau:
2 × (2 gam) + 1 × (32 gam) = 4 gam + 32 gam = 36g
Bước 3. Tìm nhiệt lượng riêng của sản phẩm của bạn
Tiếp theo, hãy tìm nhiệt lượng riêng của sản phẩm mà bạn đang phân tích. Mỗi nguyên tố hoặc phân tử có một nhiệt dung riêng: giá trị này là một hằng số và thường được tìm thấy trong các nguồn tài liệu học tập hóa học (ví dụ, trong bảng ở phía sau sách giáo khoa hóa học). Có nhiều cách khác nhau để tính nhiệt lượng riêng, nhưng đối với công thức chúng tôi đang sử dụng, chúng tôi đang sử dụng đơn vị Joule / gram ° C.
- Lưu ý rằng nếu phương trình của bạn có nhiều sản phẩm, bạn sẽ cần tính toán entanpi cho các phản ứng của các nguyên tố được sử dụng để tạo ra từng sản phẩm, sau đó cộng chúng lại để tìm ra entanpi tổng thể cho phản ứng.
- Trong ví dụ của chúng tôi, sản phẩm cuối cùng là nước, có nhiệt lượng riêng xấp xỉ. 4,2 jun / gam ° C.
Bước 4. Tìm nhiệt độ chênh lệch sau khi phản ứng xảy ra
Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm T, sự thay đổi nhiệt độ trước và sau phản ứng. Tính nhiệt độ ban đầu của phản ứng (hoặc T1) với nhiệt độ cuối cùng sau phản ứng (hoặc T2) để tính nhiệt độ đó. Như trong hầu hết các công việc hóa học, nhiệt độ Kelvin (K) được sử dụng (mặc dù độ C (C) sẽ cho kết quả tương tự).
-
Ví dụ, giả sử nhiệt độ ban đầu của phản ứng là 185K nhưng nguội xuống 95K khi phản ứng hoàn tất. Trong bài toán này, T được tính như sau:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90 nghìn
Bước 5. Sử dụng công thức H = m x s x T để giải
Nếu bạn có m, khối lượng của các chất phản ứng, s, nhiệt dung riêng của các sản phẩm và T, sự thay đổi nhiệt độ của phản ứng, thì bạn sẵn sàng tìm entanpi của phản ứng. Đặt các giá trị của bạn vào công thức H = m x s x T và nhân lên để giải. Câu trả lời của bạn được viết bằng đơn vị năng lượng, cụ thể là Joules (J).
-
Đối với bài toán ví dụ của chúng ta, entanpi của phản ứng là:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13,608 J
Bước 6. Xác định xem phản ứng của bạn là nhận hay mất năng lượng
Một trong những lý do phổ biến nhất để tính H cho các phản ứng khác nhau là để xác định xem phản ứng tỏa nhiệt (mất năng lượng và tỏa nhiệt) hay thu nhiệt (thu năng lượng và hấp thụ nhiệt). Nếu dấu hiệu trong câu trả lời cuối cùng của bạn cho H là dương, thì phản ứng thu nhiệt. Trong khi đó, nếu dấu là âm thì phản ứng tỏa nhiệt. Con số này càng lớn thì phản ứng tỏa nhiệt càng lớn. Hãy cẩn thận với các phản ứng tỏa nhiệt mạnh - chúng đôi khi giải phóng một lượng lớn năng lượng, nếu giải phóng rất nhanh có thể gây nổ.
Trong ví dụ của chúng tôi, câu trả lời cuối cùng là -13608J. Vì dấu hiệu là âm, chúng ta biết rằng phản ứng của chúng ta là tỏa nhiệt. Điều này có ý nghĩa - H2 và O2 là một chất khí, trong khi H2O, sản phẩm, là một chất lỏng. Khí nóng (ở dạng hơi) phải toả năng lượng ra môi trường dưới dạng nhiệt, để nguội đi tạo thành chất lỏng, tức là phản ứng tạo thành H.2O tỏa nhiệt.
Phương pháp 2/3: Ước tính kích thước Enthalpy
Bước 1. Sử dụng năng lượng liên kết để ước tính entanpi
Hầu hết tất cả các phản ứng hóa học liên quan đến sự hình thành hoặc phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử. Vì trong các phản ứng hóa học, năng lượng không thể bị phá hủy hoặc tạo ra, nếu chúng ta biết lượng năng lượng cần thiết để hình thành hoặc phá vỡ các liên kết trong một phản ứng, chúng ta có thể ước tính sự thay đổi entanpi cho phản ứng tổng thể với mức độ chính xác cao bằng cách cộng các liên kết này. năng lượng.
-
Ví dụ, phản ứng sử dụng H2 + F2 → 2HF. Trong phương trình này, năng lượng cần thiết để phá vỡ các nguyên tử H trong phân tử H. là2 là 436 kJ / mol, trong khi năng lượng cần thiết cho F2 là 158 kJ / mol. Cuối cùng, năng lượng cần thiết để tạo HF từ H và F là = -568 kJ / mol. Chúng tôi nhân với 2 vì sản phẩm trong phương trình là 2 HF, do đó, đó là 2 × -568 = -1136 kJ / mol. Thêm tất cả chúng lại với nhau, chúng tôi nhận được:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ / mol.
Bước 2. Sử dụng entanpi của sự hình thành để ước tính entanpi
Entanpi tạo thành là một tập hợp các giá trị H đại diện cho sự thay đổi entanpi của một phản ứng để tạo ra một chất hóa học. Nếu bạn biết entanpi tạo thành cần thiết để tạo ra các sản phẩm và chất phản ứng trong phương trình, bạn có thể cộng chúng lại để ước tính entanpi giống như năng lượng liên kết được mô tả ở trên.
-
Ví dụ, phương trình sử dụng C2NS5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Trong phương trình này, chúng ta biết rằng entanpi tạo thành cho phản ứng sau đây là:
NS2NS5OH → 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
Vì chúng ta có thể tính tổng các phương trình này để có được C2NS5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, từ phản ứng mà chúng ta đang cố gắng tìm ra entanpi, chúng ta chỉ cần cộng entanpi của phản ứng tạo thành ở trên để tìm ra entanpi của phản ứng này, như sau:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ / mol.
Bước 3. Đừng quên đổi dấu khi đảo ngược phương trình
Điều quan trọng cần lưu ý là khi bạn sử dụng entanpi của sự hình thành để tính toán entanpi của một phản ứng, bạn phải thay đổi dấu của sự hình thành bất cứ khi nào bạn đảo ngược phương trình phản ứng của các nguyên tố. Nói cách khác, nếu bạn đảo ngược một hoặc nhiều phương trình hình thành phản ứng sao cho sản phẩm và chất phản ứng triệt tiêu lẫn nhau, hãy thay đổi dấu của entanpi của phản ứng tạo thành mà bạn đang hoán đổi.
Trong ví dụ trên, lưu ý rằng phản ứng hình thành chúng ta đã sử dụng cho C2NS5OH lộn ngược. NS2NS5OH → 2C + 3H2 + 0,5O2 hiển thị C2NS5OH bị tách ra, không được tạo thành. Vì chúng ta đảo ngược phương trình này để các sản phẩm và chất phản ứng triệt tiêu lẫn nhau, chúng ta đã thay đổi dấu của sự hình thành entanpi để cho 228 kJ / mol. Trên thực tế, entanpi của sự hình thành C2NS5OH là -228 kJ / mol.
Phương pháp 3/3: Quan sát sự thay đổi Entanpi trong các thí nghiệm
Bước 1. Lấy một thùng sạch và đổ đầy nước vào thùng
Có thể dễ dàng nhận thấy nguyên lý của entanpi bằng một thí nghiệm đơn giản. Để đảm bảo rằng phản ứng thí nghiệm của bạn không bị nhiễm các chất bên ngoài, hãy làm sạch và tiệt trùng các vật chứa bạn định sử dụng. Các nhà khoa học sử dụng các hộp kín đặc biệt được gọi là nhiệt lượng kế để đo entanpi, nhưng bạn có thể thu được kết quả tốt với bất kỳ ống nghiệm thủy tinh hoặc ống nhỏ nào. Dù bạn sử dụng thùng chứa nào, hãy đổ đầy nước sạch ở nhiệt độ phòng. Bạn cũng nên thử nghiệm trong phòng có nhiệt độ lạnh.
Đối với thử nghiệm này, bạn sẽ cần một thùng chứa khá nhỏ. Chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của sự thay đổi entanpi của Alka-Seltzer đối với nước, vì vậy bạn càng sử dụng ít nước thì sự thay đổi nhiệt độ càng rõ rệt
Bước 2. Đưa nhiệt kế vào hộp đựng
Lấy một nhiệt kế và đặt nó vào hộp đựng sao cho đầu của nhiệt kế nằm dưới nước. Đọc nhiệt độ của nước - theo mục đích của chúng tôi, nhiệt độ của nước được ký hiệu là T1, nhiệt độ ban đầu của phản ứng.
Giả sử chúng ta đo nhiệt độ của nước và kết quả là 10 độ C. Trong một vài bước, chúng ta sẽ sử dụng các số đọc nhiệt độ này để chứng minh nguyên lý của entanpi
Bước 3. Thêm một Alka-Seltzer vào thùng chứa
Khi bạn đã sẵn sàng để bắt đầu thử nghiệm, hãy thả một Alka-Seltzer vào nước. Bạn sẽ nhận thấy ngay hạt nổi bọt và có tiếng rít. Khi các hạt hòa tan trong nước, chúng sẽ phân hủy thành hóa chất bicarbonate (HCO.).3-) và axit xitric (phản ứng dưới dạng ion hydro, H+). Các hóa chất này phản ứng để tạo thành nước và khí carbon dioxide trong phương trình 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Bước 4. Đo nhiệt độ khi phản ứng xong
Theo dõi khi phản ứng diễn ra - các hạt Alka-Seltzer sẽ từ từ tan ra. Ngay sau khi phản ứng hạt kết thúc (hoặc chậm lại), hãy đo lại nhiệt độ. Nước sẽ lạnh hơn trước. Nếu trời ấm hơn, thí nghiệm có thể bị ảnh hưởng bởi các lực bên ngoài (ví dụ: nếu căn phòng bạn đang ở ấm).
Đối với ví dụ thí nghiệm của chúng tôi, giả sử nhiệt độ của nước là 8 độ C sau khi các hạt ngừng chảy
Bước 5. Ước lượng entanpi của phản ứng
Trong một thí nghiệm lý tưởng, khi bạn thả một hạt Alka-Seltzer vào nước, nó tạo thành nước và khí carbon dioxide (khí có thể được quan sát như một bong bóng rít) và làm cho nhiệt độ của nước giảm xuống. Từ thông tin này, chúng tôi đoán phản ứng thu nhiệt - tức là nó hấp thụ năng lượng từ môi trường xung quanh. Các chất phản ứng dạng lỏng hòa tan đòi hỏi năng lượng bổ sung để tạo ra sản phẩm ở dạng khí, vì vậy chúng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt từ môi trường xung quanh (trong thí nghiệm này là nước). Điều này làm cho nhiệt độ của nước giảm xuống.
