3 วิธีในการหาเอนทัลปีในปฏิกิริยาเคมี

2024 ผู้เขียน: Jason Gerald | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-19 22:14

ในปฏิกิริยาเคมีทั้งหมด ความร้อนสามารถได้รับจากสภาพแวดล้อมหรือปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างปฏิกิริยาเคมีกับสิ่งแวดล้อมเรียกว่าเอนทาลปีของปฏิกิริยาหรือ H อย่างไรก็ตาม H ไม่สามารถวัดได้โดยตรง - นักวิทยาศาสตร์ใช้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของปฏิกิริยาเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อค้นหาการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปี เมื่อเวลาผ่านไป (เขียนว่า ชม). ด้วย H นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้ว่าปฏิกิริยาให้ความร้อน (หรือ "คายความร้อน") หรือได้รับความร้อน (หรือ "ดูดความร้อน") โดยทั่วไปแล้ว H = m x s x T โดยที่ m คือมวลของสารตั้งต้น s คือความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ และ T คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในปฏิกิริยา

ขั้นตอน

วิธีที่ 1 จาก 3: การแก้ปัญหาเอนทัลปี

ขั้นตอนที่ 1 กำหนดปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นของคุณ

ปฏิกิริยาเคมีใด ๆ เกี่ยวข้องกับสารเคมีสองประเภท - ผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น ผลิตภัณฑ์คือสารเคมีที่เกิดจากปฏิกิริยา ในขณะที่สารตั้งต้นคือสารเคมีที่รวมกันหรือแยกออกเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง สารตั้งต้นของปฏิกิริยาเป็นเหมือนส่วนผสมของสูตรอาหาร ในขณะที่ผลิตภัณฑ์เป็นอาหารสำเร็จรูป ในการหา H ของปฏิกิริยา อันดับแรก ให้ระบุผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น

ตัวอย่างเช่น สมมติว่าเรากำลังจะหาเอนทาลปีของปฏิกิริยาสำหรับการก่อตัวของน้ำจากไฮโดรเจนและออกซิเจน: 2H₂ (ไฮโดรเจน) + O₂ (ออกซิเจน) → 2H₂โอ (น้ำ). ในสมการนี้ ชม₂ และ โอ₂ เป็นสารตั้งต้นและ ชม₂โอ เป็นผลิตภัณฑ์

ขั้นตอนที่ 2 กำหนดมวลรวมของสารตั้งต้น

ต่อไป ให้หามวลของสารตั้งต้นของคุณ หากคุณไม่ทราบมวลของมันและไม่สามารถชั่งน้ำหนักตามมาตราส่วนทางวิทยาศาสตร์ได้ คุณสามารถใช้มวลโมลาร์เพื่อหามวลที่แท้จริงของมันได้ มวลโมลาร์เป็นค่าคงที่ที่สามารถพบได้ในตารางธาตุปกติ (สำหรับธาตุเดี่ยว) และแหล่งเคมีอื่นๆ (สำหรับโมเลกุลและสารประกอบ) เพียงแค่คูณมวลโมลาร์ของสารตั้งต้นแต่ละตัวด้วยจำนวนโมลเพื่อหามวลของสารตั้งต้น

• ในตัวอย่างน้ำ สารตั้งต้นของเราคือก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งมีมวลโมลาร์เท่ากับ 2 ก. และ 32 ก. เนื่องจากเราใช้ไฮโดรเจน 2 โมล (พิจารณาจากค่าสัมประสิทธิ์ของ 2 ใน H₂) และออกซิเจน 1 โมล (ตัดสินโดยไม่มีสัมประสิทธิ์ใน O₂) เราสามารถคำนวณมวลรวมของสารตั้งต้นได้ดังนี้

  2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g

ขั้นตอนที่ 3 ค้นหาความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ของคุณ

ถัดไป ค้นหาความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ที่คุณกำลังวิเคราะห์ แต่ละองค์ประกอบหรือโมเลกุลมีความร้อนจำเพาะ: ค่านี้เป็นค่าคงที่และมักพบในแหล่งข้อมูลการเรียนรู้เคมี (เช่น ในตารางด้านหลังหนังสือเรียนวิชาเคมี) มีหลายวิธีในการคำนวณความร้อนจำเพาะ แต่สำหรับสูตรที่เราใช้ เราใช้หน่วยจูล/กรัม °C

• โปรดทราบว่าหากสมการของคุณมีผลิตภัณฑ์หลายตัว คุณจะต้องคำนวณเอนทาลปีสำหรับปฏิกิริยาขององค์ประกอบที่ใช้ในการผลิตแต่ละผลิตภัณฑ์ จากนั้นรวมเข้าด้วยกันเพื่อค้นหาเอนทาลปีโดยรวมสำหรับปฏิกิริยา
• ในตัวอย่างของเรา ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือน้ำ ซึ่งมีความร้อนจำเพาะประมาณ 4.2 จูล/กรัม °C.

ขั้นตอนที่ 4 ค้นหาความแตกต่างของอุณหภูมิหลังจากเกิดปฏิกิริยา

ต่อไปเราจะพบ T การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิก่อนและหลังปฏิกิริยา ลบอุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยา (หรือ T1) ออกจากอุณหภูมิสุดท้ายหลังปฏิกิริยา (หรือ T2) เพื่อคำนวณ เช่นเดียวกับงานเคมีส่วนใหญ่ ใช้อุณหภูมิเคลวิน (K) (แม้ว่าเซลเซียส (C) จะให้ผลลัพธ์แบบเดียวกัน)

• ตัวอย่างเช่น สมมติว่าอุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยาคือ 185K แต่จะเย็นลงเป็น 95K เมื่อปฏิกิริยาเสร็จสิ้น ในปัญหานี้ T จะคำนวณดังนี้:

  T = T2 – T1 = 95K – 185K = - 90K

ขั้นตอนที่ 5. ใช้สูตร H = m x s x T เพื่อแก้

หากคุณมี m, มวลของสารตั้งต้น, s, ความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ และ T, การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของปฏิกิริยา แสดงว่าคุณพร้อมที่จะค้นหาเอนทัลปีของปฏิกิริยา แทนค่าของคุณลงในสูตร H = m x s x T แล้วคูณเพื่อแก้ คำตอบของคุณเขียนเป็นหน่วยพลังงาน คือ Joules (J)

• สำหรับปัญหาตัวอย่างของเรา เอนทาลปีของปฏิกิริยาคือ:

  H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13,608 จู

ขั้นตอนที่ 6 พิจารณาว่าปฏิกิริยาของคุณได้รับหรือสูญเสียพลังงานหรือไม่

สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดประการหนึ่งในการคำนวณ H สำหรับปฏิกิริยาต่างๆ คือการพิจารณาว่าปฏิกิริยานั้นเป็นแบบคายความร้อน (สูญเสียพลังงานและปล่อยความร้อน) หรือดูดความร้อน (ได้รับพลังงานและดูดซับความร้อน) หากสัญญาณของคำตอบสุดท้ายของคุณสำหรับ H เป็นบวก แสดงว่าปฏิกิริยาดูดความร้อน ในขณะเดียวกัน ถ้าเครื่องหมายเป็นลบ ปฏิกิริยาจะเป็นแบบคายความร้อน ยิ่งจำนวนมากเท่าใด ปฏิกิริยาคายความร้อนหรือปฏิกิริยาดูดความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ระวังด้วยปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรง - บางครั้งพวกมันจะปล่อยพลังงานจำนวนมาก ซึ่งหากปล่อยเร็วมากอาจทำให้เกิดการระเบิดได้

ในตัวอย่างของเรา คำตอบสุดท้ายคือ -13608J เนื่องจากเครื่องหมายเป็นลบ เรารู้ว่าปฏิกิริยาของเราคือ คายความร้อน. มันสมเหตุสมผลแล้ว - H₂ และ O₂ เป็นก๊าซในขณะที่ H₂O ผลิตภัณฑ์เป็นของเหลว ก๊าซร้อน (ในรูปของไอน้ำ) จะต้องปล่อยพลังงานออกสู่สิ่งแวดล้อมในรูปของความร้อน เพื่อทำให้เย็นลงจนเกิดเป็นของเหลว กล่าวคือ ปฏิกิริยาจะเกิดเป็น H₂O เป็นคายความร้อน

วิธีที่ 2 จาก 3: การประมาณขนาดเอนทาลปี

ขั้นตอนที่ 1 ใช้พลังงานพันธะเพื่อประมาณค่าเอนทาลปี

ปฏิกิริยาเคมีเกือบทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการก่อตัวหรือการทำลายพันธะระหว่างอะตอม เนื่องจากในปฏิกิริยาเคมี พลังงานไม่สามารถทำลายหรือสร้างได้ หากเราทราบปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการสร้างหรือทำลายพันธะในปฏิกิริยา เราสามารถประมาณการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีสำหรับปฏิกิริยาโดยรวมได้อย่างแม่นยำในระดับสูงโดยการเพิ่มพันธะเหล่านี้ พลังงาน

• ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาที่ใช้ H₂ + F₂ → 2HF ในสมการนี้ พลังงานที่จำเป็นในการสลายอะตอม H ในโมเลกุล H คือ₂ คือ 436 kJ/mol ในขณะที่พลังงานที่จำเป็นสำหรับF₂ คือ 158 กิโลจูล/โมล สุดท้าย พลังงานที่จำเป็นในการสร้าง HF จาก H และ F คือ = -568 kJ/mol เราคูณด้วย 2 เพราะผลคูณในสมการคือ 2 HF นั่นคือ 2 × -568 = -1136 kJ/mol เมื่อรวมทั้งหมดเข้าด้วยกัน เราจะได้:

  436 + 158 + -1136 = - 542 กิโลจูล/โมล.

ขั้นตอนที่ 2 ใช้เอนทาลปีของการก่อตัวเพื่อประมาณค่าเอนทาลปี

เอนทาลปีของการก่อตัวเป็นชุดของค่า H ที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของปฏิกิริยาเพื่อผลิตสารเคมี หากคุณทราบเอนทาลปีของการก่อตัวที่จำเป็นในการผลิตผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นในสมการ คุณสามารถเพิ่มค่าเหล่านี้เพื่อประมาณค่าเอนทาลปีเช่นเดียวกับพลังงานพันธะที่อธิบายข้างต้น

• ตัวอย่างเช่น สมการที่ใช้ C₂ชม₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O ในสมการนี้ เรารู้ว่าเอนทาลปีของการก่อตัวสำหรับปฏิกิริยาต่อไปนี้คือ:

  ค₂ชม₅OH → 2C + 3H₂ +0.5O₂ = 228 กิโลจูล/โมล

  2C + 2O₂ → 2CO₂ = -394 × 2 = -788 กิโลจูล/โมล

  3H₂ +1.5 ออนซ์₂ → 3H₂O = -286 × 3 = -858 กิโลจูล/โมล

  เนื่องจากเราสามารถรวมสมการเหล่านี้เพื่อให้ได้ C₂ชม₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O จากปฏิกิริยาที่เรากำลังพยายามหาเอนทาลปี เราแค่ต้องบวกเอนทาลปีของปฏิกิริยาของชั้นหินด้านบนเพื่อหาเอนทาลปีของปฏิกิริยานี้เท่านั้น ดังนี้

  228 + -788 + -858 = - 1418 กิโลจูล/โมล.

ขั้นตอนที่ 3 อย่าลืมเปลี่ยนเครื่องหมายเมื่อกลับสมการ

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเมื่อคุณใช้เอนทาลปีของการก่อตัวในการคำนวณเอนทาลปีของปฏิกิริยา คุณต้องเปลี่ยนเครื่องหมายของเอนทาลปีของการก่อตัวทุกครั้งที่คุณกลับสมการของปฏิกิริยาของธาตุ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้าคุณกลับสมการหนึ่งหรือมากกว่าสำหรับการก่อตัวของปฏิกิริยาเพื่อให้ผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นหักล้างกัน ให้เปลี่ยนเครื่องหมายของเอนทาลปีของปฏิกิริยาการก่อตัวที่คุณกำลังแลกเปลี่ยน

ในตัวอย่างข้างต้น โปรดทราบว่าปฏิกิริยาการก่อตัวที่เราใช้สำหรับ C₂ชม₅OH กลับหัวกลับหาง ค₂ชม₅OH → 2C + 3H₂ +0.5O₂ แสดง C₂ชม₅OH ถูกแยกออกไม่ก่อตัว เนื่องจากเรากลับสมการนี้เพื่อให้ผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นตัดกัน เราจึงเปลี่ยนเครื่องหมายของเอนทาลปีของการก่อตัวเป็น 228 กิโลจูล/โมล อันที่จริง เอนทาลปีของการก่อตัวสำหรับ C₂ชม₅OH คือ -228 กิโลจูล/โมล

วิธีที่ 3 จาก 3: การสังเกตการเปลี่ยนแปลงของเอนทัลปีในการทดลอง

ขั้นตอนที่ 1. นำภาชนะที่สะอาดแล้วเติมน้ำ

เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นหลักการของเอนทัลปีด้วยการทดลองง่ายๆ เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาในการทดลองของคุณไม่ถูกปนเปื้อนด้วยสารภายนอก ให้ทำความสะอาดและฆ่าเชื้อภาชนะที่คุณต้องการใช้ นักวิทยาศาสตร์ใช้ภาชนะปิดผนึกพิเศษที่เรียกว่าแคลอรีมิเตอร์เพื่อวัดเอนทาลปี แต่คุณสามารถได้ผลดีกับแก้วหรือหลอดทดลองขนาดเล็ก ใช้ภาชนะอะไรก็ตาม ให้เติมน้ำสะอาดที่อุณหภูมิห้อง คุณควรทดลองในห้องที่มีอุณหภูมิเย็นจัด

สำหรับการทดลองนี้ คุณจะต้องมีภาชนะขนาดค่อนข้างเล็ก เราจะตรวจสอบผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของ Alka-Seltzer ต่อน้ำ ดังนั้นยิ่งคุณใช้น้ำน้อย การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิก็จะยิ่งเด่นชัดมากขึ้นเท่านั้น

ขั้นตอนที่ 2. ใส่เทอร์โมมิเตอร์ลงในภาชนะ

นำเทอร์โมมิเตอร์ไปวางไว้ในภาชนะเพื่อให้ปลายเทอร์โมมิเตอร์อยู่ใต้น้ำ อ่านอุณหภูมิของน้ำ - สำหรับจุดประสงค์ของเรา อุณหภูมิของน้ำจะแสดงด้วย T1 ซึ่งเป็นอุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยา

สมมติว่าเราวัดอุณหภูมิของน้ำและผลลัพธ์ที่ได้คือ 10 องศาเซลเซียส ในไม่กี่ขั้นตอน เราจะใช้การอ่านอุณหภูมิเหล่านี้เพื่อพิสูจน์หลักการของเอนทัลปี

ขั้นตอนที่ 3 เพิ่ม Alka-Seltzer หนึ่งตัวลงในคอนเทนเนอร์

เมื่อคุณพร้อมที่จะเริ่มการทดลอง ให้หย่อน Alka-Seltzer ลงไปในน้ำ คุณจะสังเกตเห็นได้ทันทีว่าเมล็ดพืชมีฟองและฟู่ เมื่อเม็ดบีดละลายในน้ำ จะแตกตัวเป็นสารเคมีไบคาร์บอเนต (HCO.)₃^-) และกรดซิตริก (ซึ่งทำปฏิกิริยาในรูปของไฮโดรเจนไอออน H⁺). สารเคมีเหล่านี้ทำปฏิกิริยากับน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในสมการ 3HCO₃⁻ + 3H⁺ → 3H₂O + 3CO₂.

ขั้นตอนที่ 4 วัดอุณหภูมิเมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์

ดูปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น - เม็ด Alka-Seltzer จะค่อยๆ ละลาย ทันทีที่ปฏิกิริยาของเมล็ดพืชสิ้นสุดลง (หรือช้าลง) ให้วัดอุณหภูมิอีกครั้ง น้ำควรจะเย็นกว่าเดิม หากอากาศอุ่นขึ้น การทดลองอาจได้รับผลกระทบจากแรงภายนอก (เช่น หากห้องที่คุณอยู่อบอุ่น)

สำหรับตัวอย่างการทดลองของเรา สมมติว่าอุณหภูมิของน้ำอยู่ที่ 8 องศาเซลเซียส หลังจากที่เมล็ดธัญพืชหยุดเป็นฟอง

ขั้นตอนที่ 5. ประมาณค่าเอนทาลปีของปฏิกิริยา

ในการทดลองในอุดมคติ เมื่อคุณหย่อนเมล็ด Alka-Seltzer ลงไปในน้ำ มันจะกลายเป็นน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (สามารถสังเกตก๊าซเป็นฟองฟู่) และทำให้อุณหภูมิของน้ำลดลง จากข้อมูลนี้ เราเดาว่าปฏิกิริยาดูดความร้อน นั่นคือดูดซับพลังงานจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบ สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวที่ละลายต้องการพลังงานเพิ่มเติมเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ ดังนั้นพวกมันจึงดูดซับพลังงานในรูปของความร้อนจากสภาพแวดล้อม (ในการทดลองนี้ น้ำ) ทำให้อุณหภูมิของน้ำลดลง

ในตัวอย่างการทดลองของเรา อุณหภูมิของน้ำลดลงสององศาหลังจากเติม Alka-Seltzer สิ่งนี้สอดคล้องกับปฏิกิริยาดูดความร้อนที่ไม่รุนแรงที่เราคาดหวัง