כיצד לחשב את האנטלפיה של תגובה כימית?
כדי לחשב את האנטלפיה של תגובה כימית, התחל על ידי קביעת התוצרים והמגיבים של התגובה. לאחר מכן, מצא את המסה הכוללת של המגיבים על ידי הוספת כל המסה האישית שלהם יחד. לאחר מכן, חפש את ערך החום הספציפי של המוצר. לאחר שמצאתם זאת, חישבו את ההבדל בטמפרטורה על ידי הפחתת הטמפרטורה ההתחלתית מהטמפרטורה הסופית לאחר התרחשות התגובה. לסיום, הכפל את המסה של המגיבים בערך החום ואז המספר הזה בהפרש הטמפרטורה כדי למצוא את האנטלפיה. אם אתה רוצה ללמוד כיצד ליצור ניסוי להתבוננות באנטלפיה, המשך לקרוא את המאמר!
כדי לחשב את האנטלפיה של תגובה כימית, התחל על ידי קביעת התוצרים והמגיבים של התגובה.
במהלך כל תגובה כימית, ניתן לקחת את החום מהסביבה או לשחרר אותו לתוכו. חילופי החום בין תגובה כימית לסביבתה מכונים אנטלפיה של התגובה, או H. עם זאת, לא ניתן למדוד את H באופן ישיר - במקום זאת, מדענים משתמשים בשינוי הטמפרטורה של התגובה לאורך זמן כדי למצוא את השינוי ב אנטלפיה לאורך זמן (מסומן כ- ∆H). עם ∆H, מדען יכול לקבוע אם תגובה מפיצה חום (או "היא אקסותרמית ") או לוקחת חום (או "היא אנדותרמית "). באופן כללי, ∆H = m x s x ∆T, כאשר m הוא המסה של המגיבים, s הוא החום הספציפי של המוצר, ו- ∆T הוא שינוי הטמפרטורה מהתגובה.
שיטה 1 מתוך 3: פתרון בעיות אנלפיה
- 1קבעו את מוצרי התגובה שלכם ומגיבים. כל תגובה כימית כוללת שתי קטגוריות של כימיקלים - מוצרים ומגיבים. מוצרים הם הכימיקלים שנוצרו על ידי התגובה, בעוד שמגיבים הם הכימיקלים אשר מתקשרים, משלבים או מתפרקים ליצירת המוצר. במילים אחרות, מגיבים של תגובה הם כמו המרכיבים במתכון, ואילו המוצרים הם כמו המנה המוגמרת. כדי למצוא ∆H לתגובה, זהה תחילה את מוצריה ומגיביה.
- לדוגמא, נניח שנרצה למצוא את אנטלפיית התגובה ליצירת מים ממימן וחמצן: 2H 2 (מימן) + O 2 (חמצן) → 2H 2 O (מים). במשוואה זו, H 2 ו- O 2 הם המגיבים ו- H 2 o הוא המוצר.
- 2קבע את המסה הכוללת של המגיבים. לאחר מכן, מצא את המוני המגיבים שלך. אם אינך מכיר את המסה שלהם ואינך מסוגל לשקול את המגיבים במאזן מדעי, תוכל להשתמש במסה הטוחנת שלהם כדי למצוא את המסה האמיתית שלהם. מסות טוחנות הן קבועים שניתן למצוא בטבלאות מחזוריות סטנדרטיות (עבור יסודות בודדים) ובמשאבי כימיה אחרים (למולקולות ותרכובות). כל שעליך לעשות הוא להכפיל את המסה הטוחנת של כל מגיב במספר השומות המשמשות למציאת מסות המגיבים.
- בדוגמת המים שלנו, המגיבים שלנו הם גזי מימן וחמצן, בעלי מסה טוחנת של 2 גרם ו -32 גרם, בהתאמה. מכיוון שהשתמשנו ב -2 שומות מימן (המסומן במקדם "2" במשוואה לצד H 2) ובמול 1 חמצן (מסומן ללא מקדם ליד O 2), אנו יכולים לחשב את המסה הכוללת של המגיבים באופן הבא.:
2 × (2 גרם) + 1 × (32 גרם) = 4 גרם + 32 גרם = 36 גרם
- בדוגמת המים שלנו, המגיבים שלנו הם גזי מימן וחמצן, בעלי מסה טוחנת של 2 גרם ו -32 גרם, בהתאמה. מכיוון שהשתמשנו ב -2 שומות מימן (המסומן במקדם "2" במשוואה לצד H 2) ובמול 1 חמצן (מסומן ללא מקדם ליד O 2), אנו יכולים לחשב את המסה הכוללת של המגיבים באופן הבא.:
- 3מצא את החום הספציפי של המוצר שלך. לאחר מכן מצא את החום הספציפי של המוצר אותו אתה מנתח. לכל יסוד או מולקולה יש ערך חום ספציפי המשויך אליו: ערכים אלה הם קבועים וממוקמים בדרך כלל במשאבי כימיה (כמו, למשל, בטבלאות בחלק האחורי של ספר לימוד בכימיה). ישנן מספר דרכים שונות למדידת חום ספציפי, אך לצורך הנוסחה שלנו נשתמש בערך הנמדד ביחידות ג'אול / גרם מעלות צלזיוס.
- שים לב שאם במשוואה שלך יש מספר מוצרים, יהיה עליך לבצע את חישוב האנתלפיה עבור תגובת הרכיב המשמשת לייצור כל מוצר, ואז להוסיף אותם יחד כדי למצוא את האנטלפיה לכל התגובה.
- בדוגמה שלנו, המוצר הסופי הוא מים, בעלי חום ספציפי של כ -4,2 ג'ואל / גרם מעלות צלזיוס.
במהלך כל תגובה כימית, ניתן לקחת את החום מהסביבה או לשחרר אותו לתוכו. - 4מצא את ההבדל בטמפרטורה לאחר התגובה. לאחר מכן נמצא ∆T, השינוי בטמפרטורה מלפני התגובה לאחרי התגובה. מחסרים את הטמפרטורה הראשונית (או T1) של התגובה מהטמפרטורה הסופית (או T2) כדי לחשב ערך זה. כמו ברוב עבודות הכימיה, יש להשתמש כאן בטמפרטורות קלווין (K) (אם כי צלזיוס (C) ייתן את אותן התוצאות).
- לדוגמא שלנו, בואו נגיד שהתגובה שלנו הייתה 185K כבר בהתחלה, אבל היא התקררה עד 95K עד שהיא סיימה. במקרה זה, ∆T יחושב כך:
∆T = T2 - T1 = 95K - 185K = -90K
- לדוגמא שלנו, בואו נגיד שהתגובה שלנו הייתה 185K כבר בהתחלה, אבל היא התקררה עד 95K עד שהיא סיימה. במקרה זה, ∆T יחושב כך:
- 5השתמש בנוסחה ∆h = m x s x ∆t כדי לפתור. ברגע שיש לך m, המסה של המגיבים שלך, s, החום הספציפי של המוצר שלך ו- ∆T, שינוי הטמפרטורה מהתגובה שלך, אתה מוכן למצוא את אנלפת התגובה. פשוט חבר את הערכים שלך לנוסחה ∆H = m x s x ∆T והכפל כדי לפתור. התשובה שלך תהיה ביחידת האנרגיה ג'ול (J).
- לבעיית הדוגמה שלנו, אנו מוצאים את האנטלפיה של התגובה באופן הבא:
∆H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = -13608 J
- לבעיית הדוגמה שלנו, אנו מוצאים את האנטלפיה של התגובה באופן הבא:
- 6קבע אם התגובה שלך צוברת או מאבדת אנרגיה. אחת הסיבות השכיחות לכך ש- ∆H מחושב לתגובות שונות היא לקבוע אם התגובה היא אקסותרמית (מאבדת אנרגיה ומוציאה חום) או אנדותרמית (צוברת אנרגיה וסופגת חום). אם הסימן לתשובה הסופית שלך ל- ∆H הוא חיובי, התגובה היא אנדותרמית. מצד שני, אם הסימן שלילי, התגובה היא אקסותרמית. ככל שהמספר עצמו גדול יותר, התגובה היא אקסו או אנדותרמית יותר. היזהר מתגובות אקסותרמיות חזקות - לפעמים אלה יכולים לסמן שחרור גדול של אנרגיה, אשר אם היא מהירה מספיק עלולה לגרום לפיצוץ.
- בדוגמה שלנו, התשובה הסופית שלנו היא -13608 J. מכיוון שהסימן שלילי, אנו יודעים שהתגובה שלנו היא אקסותרמית. זה הגיוני - H 2 ו- O 2 הם גזים, בעוד H 2 O, המוצר, הוא נוזל. הגזים החמים (בצורת קיטור) צריכים לשחרר אנרגיה לסביבה בצורת חום כדי להתקרר עד כדי כך שהם יכולים ליצור מים נוזליים, כלומר היווצרות H 2 O היא אקסותרמית.
שיטה 2 מתוך 3: אומדן אנטלפיה
- 1השתמש באנרגיות קשר כדי לאמוד את האנטלפיה. כמעט כל התגובות הכימיות כוללות יצירת קשרים או שבירתם בין אטומים. מכיוון שבתגובה כימית לא ניתן להשמיד ולא ליצור אנרגיה, אם אנו יודעים את האנרגיה הנדרשת ליצירת או פירוק הקשרים שנוצרים (או שבורים) בתגובה, אנו יכולים לאמוד את שינוי האנטלפיה לכל התגובה בדיוק רב על ידי חיבור אנרגיות הקשר הללו.
- לדוגמה, בואו ניקח בחשבון את התגובה H 2 + F 2 → 2HF. במקרה זה, האנרגיה הנדרשת לפירוק אטומי H במולקולת H 2 זו מזו היא 436 קג''י / מול, ואילו האנרגיה הנדרשת לפו 2 היא 158 ק''ג / מול. לבסוף, האנרגיה הדרושה ליצירת HF מ- H ו- F היא = -568 kJ / mol. אנו מכפילים את זה ב -2 מכיוון שהתוצר במשוואה הוא 2 HF, ונותן לנו 2 × -568 = -1136 kJ / mol. אם מוסיפים את כל אלה, אנו מקבלים:
436 + 158 + -1136 = -542 kJ / mol.
- לדוגמה, בואו ניקח בחשבון את התגובה H 2 + F 2 → 2HF. במקרה זה, האנרגיה הנדרשת לפירוק אטומי H במולקולת H 2 זו מזו היא 436 קג''י / מול, ואילו האנרגיה הנדרשת לפו 2 היא 158 ק''ג / מול. לבסוף, האנרגיה הדרושה ליצירת HF מ- H ו- F היא = -568 kJ / mol. אנו מכפילים את זה ב -2 מכיוון שהתוצר במשוואה הוא 2 HF, ונותן לנו 2 × -568 = -1136 kJ / mol. אם מוסיפים את כל אלה, אנו מקבלים:
- 2השתמש באנטלפיות של היווצרות כדי להעריך אנתלפיה. אנטלפיות של היווצרות נקבעים ערכי ∆H המייצגים את שינויי האנטלפיה מתגובות המשמשות ליצירת כימיקלים נתונים. אם אתה מכיר את האנטלפיות של היווצרות הנדרשות ליצירת מוצרים ומגיבים במשוואה, אתה יכול להוסיף אותם כדי לאמוד את האנטלפיה כפי שהיית עושה עם אנרגיות קשר כמתואר לעיל.
- לדוגמה, בואו ניקח בחשבון את התגובה C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O. במקרה זה אנו יודעים את האנטלפיות של היווצרות לתגובות הבאות:
C 2 H 5 OH → 2 C + 3H 2 + 0, 5O 2 = 228 kJ / mol
2C + 2O 2 → 2CO 2 = -394 × 2 = -788 kJ / mol
3H 2 + 1,5 O 2 → 3H 2 O = -286 × 3 = -858 kJ / mol
מאז אנו יכולים להוסיף את המשוואות הללו עד לקבלת C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2+ 3H 2 O, התגובה שאנו מנסים למצוא את האנטלפיה עבורה, אנו יכולים פשוט להוסיף את האנטלפיות של תגובות היווצרות לעיל כדי למצוא את האנתלפיה של תגובה זו באופן הבא:
228 + -788 + -858 = -1418 kJ / mol.
מחסרים את הטמפרטורה הראשונית (או T1) של התגובה מהטמפרטורה הסופית (או T2) כדי לחשב ערך זה. - לדוגמה, בואו ניקח בחשבון את התגובה C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O. במקרה זה אנו יודעים את האנטלפיות של היווצרות לתגובות הבאות:
- 3אל תשכח להחליף סימנים בעת היפוך משוואות. חשוב לציין שכאשר אתה משתמש באנטלפיות של היווצרות כדי לחשב את האנטלפיה של תגובה, עליך להפוך את הסימן לאנתלפיה של היווצרות בכל פעם שאתה הופך את משוואת תגובת הרכיב. במילים אחרות, אם אתה צריך להפוך אחת או יותר ממשוואות תגובת ההיווצרות שלך לאחור בכדי לגרום לכל המוצרים והמגיבים שלך לבטל כראוי, הפוך את השלט באנטלפיות של תגובות ההיווצרות שהיית צריך להעיף.
- בדוגמה שלעיל, שים לב שתגובת ההיווצרות בה אנו משתמשים עבור C 2 H 5 OH היא לאחור. C 2 H 5 OH → 2C + 3H 2 + 0,5 O 2 מראה C 2 H 5 OH מתפרק, לא נוצר. מכיוון שהפכנו את המשוואה על מנת לגרום לכל המוצרים והמגיבים להתבטל כראוי, הפכנו את השלט באנתלפת היווצרות כדי לתת לנו 228 קג''י / מול. במציאות, האנטלפיה של היווצרות עבור C 2 H 5 OH היא -228 kJ / mol.
שיטה 3 מתוך 3: התבוננות בשינויים באנטלפיה בניסוי
- 1תפוס מיכל נקי ומלא אותו במים. קל לראות את עקרונות האנטלפיה בפעולה בעזרת ניסוי פשוט. כדי לוודא שהתגובה בניסוי שלך תתקיים ללא זיהום זר, נקה ועקר את המיכל שבו אתה מתכוון להשתמש. מדענים משתמשים במיכלים סגורים מיוחדים הנקראים קלורימטרים למדידת אנטלפיה, אך ניתן להגיע לתוצאות סבירות בכל צנצנת זכוכית או בקבוקון קטן. ללא קשר למיכל שבו אתה משתמש, מלא אותו במי ברז נקיים בטמפרטורת החדר. אתה גם רוצה לנהל את התגובה איפשהו בתוך הבית עם טמפרטורה קרירה.
- לצורך ניסוי זה, תרצה מיכל קטן למדי. אנו נבדוק את ההשפעות המשנות את האנלפיה של אלקה-סלצר על מים, כך שככל שפחות מים משמשים, כך שינוי הטמפרטורה יהיה ברור יותר.
- 2הכנס מדחום למיכל. תפוס מדחום והכנס אותו למיכל כך שקצה קריאת הטמפרטורה יושב מתחת לגובה המים. קח קריאת טמפרטורה של המים - לענייננו, טמפרטורת המים תייצג את T1, הטמפרטורה הראשונית של התגובה.
- בואו נגיד שאנחנו מודדים את הטמפרטורה של המים ומגלים שהם בדיוק 10 מעלות צלזיוס. בכמה שלבים נשתמש בקריאת טמפרטורה לדוגמא זו כדי להדגים את עיקרי האנטלפיה.
- 3הוסף טבליה אחת של אלקה-סלצר למיכל. כשתהיה מוכן להתחיל בניסוי, זרוק טבליה אחת של אלקה-סלצר למים. אתה צריך לשים לב שזה מיד מתחיל לבעבע ולהתעסק. כאשר הטבליה מתמוססת במים, היא מתפרקת לכימיקלים ביקרבונט (HCO 3 -) וחומצת לימון (המגיבה בצורה של יוני מימן, H +). אלה כימיקלים מגיבים למים טופס וגז פחמן דו חמצני התגובה 3HCO 3 - + 3H + → 3H 2 O + 3CO 2.
- 4מדוד את הטמפרטורה עם סיום התגובה. עקוב אחר התגובה תוך כדי המשך - לוח האלקה-סלצר צריך להתמוסס בהדרגה. ברגע שהטאבלט מסיים את תגובתו (או נראה כי הואט לזחילה), מדוד את הטמפרטורה שוב. המים צריכים להיות קרים מעט מבעבר. אם הוא חם יותר, ייתכן שהניסוי הושפע מכוח חיצוני (כמו למשל אם החדר בו אתה נמצא חם במיוחד).
- לניסוי לדוגמא, נניח כי הטמפרטורה של המים היא 8 מעלות צלזיוס לאחר סיום ההתמזגות של הלוח.
לאחר שמצאתם זאת, חישבו את ההבדל בטמפרטורה על ידי הפחתת הטמפרטורה ההתחלתית מהטמפרטורה הסופית לאחר התרחשות התגובה. - 5העריך את אנלפת התגובה. בניסוי אידיאלי, כשמוסיפים למים את לוח Alka-Seltzer, הוא יוצר מים וגז פחמן דו-חמצני (האחרון ניתן לראות כבעבועות סוערות) וגורם לירידת הטמפרטורה של המים. ממידע זה, היינו מצפים שהתגובה תהיה אנדותרמית - כלומר כזו שקולטת אנרגיה מהסביבה שמסביב. המגיבים הנוזליים המומסים זקוקים לאנרגיה נוספת בכדי לבצע את הקפיצה למוצר הגזי, ולכן הוא לוקח אנרגיה בצורת חום מסביבתו (במקרה זה, מים). זה גורם לטמפרטורת המים לרדת.
- בניסוי לדוגמא שלנו, טמפרטורת המים ירדה שתי מעלות לאחר הוספת ה- Alka-Seltzer. זה עולה בקנה אחד עם סוג התגובה האנדותרמית הקלה שהיינו מצפים לה.
- חישובים אלה נעשים באמצעות קלווין (K) - סולם למדידת טמפרטורה בדיוק כמו צלזיוס. כדי להמיר בין צלזיוס לקלווין, פשוט מוסיפים או מפחיתים 273 מעלות: K = °C + 273.
שאלות ותשובות
- כיצד אוכל לפתור את הבעיה: "מחצית החיים של יסוד X היא 5 ימים. אם יש לנו 5 גרם של X בהתחלה, מהי המסה של X לאחר 5 ימים, 20 יום ו -40 יום"?לאחר 5 ימים יישארו 2,5 גרם. כל 5 ימים אנו מתחלקים ב- 2. לכן אחרי 10 ימים יש לנו 1,25, אחרי 15 יש לנו 0,625, אחרי 20 יש לנו 0,3125 גרם. אתה יכול לעשות את אותו הדבר במשך 40 יום. הנה נוסחה קלה יותר לשימוש: A (t) = Ainitial * (0,5) ^ (t / k), כאשר k הוא מחצית החיים, במקרה זה 5, ו- t הוא משך הזמן שאתה מחשב עבורו.
- כיצד אוכל לחשב שינוי באנטרופיה?אנטרופיה אינה אלא שינוי באקראיות של מולקולות. אם מוצק משתנה לאדים על ידי סובלימציה של כל תהליך אחר, המולקולות ההדוקות של המוצק משתחררות והן הופכות לחופשיות.
- האם אני מפחית את המגיבים מהמוצרים, או את המוצר מהמגיב?הפחת את הטמפרטורה הסופית שלך (מוצרים) מהטמפרטורה הראשונית שלך (מגיבים).
- כיצד אוכל לדעת מה צריך להיות המוצר כששני מגיבים מגיבים?אתה אמור לקבל סוג תגובה איתו אם לא את המוצרים ישירות (למשל: החלפה כפולה / יחידה) אם לא, בדרך כלל ניתן להניח שאחד משני אלה בעת פתרון.
- כיצד אוכל לחשב את אחוז השגיאה?100 * [(ערך מוחלט של ערך תיאורטי - ערך ממשי) ÷ ערך תיאורטי]
- האם לחץ גובר בתהליך הבר ייצור פחות או יותר אמוניה?יופק יותר אמוניה. עם לחץ האנטרופיה תפחת ומולקולות הגז יתקשרו ביעילות וייצרו יותר אמוניה.
- כיצד אוכל לחשב את שינוי האנטלפיה?גוש מוצק של 30,2 סמ"ק של KClO3 מחומם במעבדה ומתפרק על פי המשוואה הבאה. מהו השינוי באנטלפיה ב- kJ כאשר כל ה- KClO3 מתפרק? הצפיפות של KClO3 היא 2,34 גרם / סמ"ק. 2 KClO3 (s) -> 2 KCl (s) + 3 O2 (g) ΔH = -89,4 kJ.
שאלות ללא מענה
- כיצד אני משתמש בחום וטמפרטורה ספציפיים במשוואה לאנטלפיה?
- מה אם יש יותר ממוצר אחד?
- כיצד אוכל לחשב אנטלפיה?
