Entalpie a chemické reakce

7.3 entalpie a chemické reakce

Nyní, když jsme ukázali, jak souvisí energie, práce a teplo, jsme připraveni zvážit energetické změny v chemických reakcích. Základní koncept je, že každá chemická reakce nastává se současnou změnou energie. Nyní se musíme naučit, jak správně vyjádřit tyto energetické změny.

Naše studie plynů v Kapitole 6 „Plyny“ a naše definice práce v kapitole 7.2 „Práce a Teplo“, ukazují, že podmínky, jako je tlak, objem a teplota ovlivňují obsah energie systému. Potřebujeme definici energie, která platí, když jsou některé z těchto podmínek specifikovány(poněkud podobné naší definici standardní teploty a tlaku v naší studii plynů). Definujeme změnu entalpieteplo procesu při konstantním tlaku; označeno ΔH. (ΔH) jako teplo procesu, když je tlak udržován konstantní:

ΔH≡QAT konstantní tlak

písmeno H znamená „entalpie“, druh energie, zatímco Δ znamená změnu množství. Vždy nás bude zajímat změna H, spíše než absolutní hodnota samotného H.

když dojde k chemické reakci, dochází k charakteristické změně entalpie. Změna entalpie pro reakci se obvykle zapisuje po vyvážené chemické rovnici a na stejném řádku. Například, když dva mol vodíku reagují s jedním molem kyslíku za vzniku dvou mol vody, charakteristická změna entalpie je 570 kJ. Napíšeme rovnice,

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ) ΔH = -570 kJ

chemická rovnice, která zahrnuje změnu entalpie je tzv. termochemických equationA chemické rovnice, která zahrnuje změnu entalpie.. Předpokládá se, že termochemická rovnice odkazuje na rovnici v molárních množstvích, což znamená, že musí být interpretována z hlediska molů, nikoli jednotlivých molekul.

možná jste si všimli, že ΔH pro chemickou reakci může být pozitivní nebo negativní. Předpokládá se, že číslo je kladné, pokud nemá žádné znaménko; znaménko + lze přidat explicitně, aby nedošlo k záměně. Chemická reakce, která má pozitivní ΔH, se říká, že je endotermickáchemická reakce, která má pozitivní změnu entalpie., zatímco chemická reakce, která má negativní ΔH, je považována za exotermickouchemická reakce, která má negativní změnu entalpie..

Co to znamená, pokud je ΔH procesu pozitivní? To znamená, že systém, ve kterém dochází k chemické reakci, získává energii. Pokud uvážíme, že energie systému, jako je reprezentován jako výšky na vertikální energie pozemku, změnu entalpie, která doprovází reakce může být diagrammed jako v části (a) na Obrázku 7.3 „Reakční Energie“: energie reaktantů má nějakou energii, a systém zvyšuje jeho energii, jak to chodí na výrobky. Produkty jsou ve svislém měřítku vyšší než reaktanty. Endotermické pak znamená, že systém získává nebo absorbuje energii.

pro exotermický proces existuje opačná situace, jak je znázorněno v části b) na obrázku 7.3 „reakční energie“. Pokud je změna entalpie reakce negativní, systém ztrácí energii, takže produkty mají méně energie než reaktanty a produkty jsou na vertikální energetické stupnici nižší než reaktanty. Exotermní pak znamená, že systém ztrácí nebo vydává energii.

Jak se experimentálně měří hodnoty ΔH? Ve skutečnosti se ΔH neměří; q se měří. Měření se však provádějí za podmínek konstantního tlaku, takže ΔH se rovná měřené q.

experimentálně se q měří pomocí rovnice

q = mcΔT

předem změříme hmotnost chemických látek v systému. Pak necháme chemickou reakci a změříme změnu teploty (ΔT) systému. Pokud víme, že specifické teplo materiálu v systému (obvykle děláme), můžeme vypočítat q. Že hodnota q je číselně rovna ΔH procesu, který můžeme škálovat až na molární měřítku. Kontejner, ve kterém je systém umístěn, je obvykle izolován, takže jakákoli změna energie jde do změny teploty systému, spíše než unikání ze systému. Nádoba je označována jako kalorimetrická nádobakontejner používaný k měření tepla chemické reakce., a proces měření změn entalpie se nazývá kalorimetrieproces měření změn entalpie pro chemické reakce..

například, předpokládejme, 4,0 g NaOH, nebo 0,10 mol NaOH, se rozpustí, aby se 100.0 mL vodného roztoku, zatímco 3.65 g HCl, nebo 0,10 mol HCl, se rozpustí, aby se další 100,0 mL vodného roztoku. Oba roztoky se smíchají v izolovaném kalorimetru, vloží se teploměr a kalorimetr se zakryje (viz obrázek 7.4 „kalorimetry“ pro příklad nastavení). Teploměr měří teplotu změnit následující chemické reakce:

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ)

pozorovatel konstatuje, že zvýšení teploty z 22,4°C 29,1°C. za Předpokladu, že tepelné kapacity a hustoty roztoků jsou stejné jako ty, čisté vody, nyní máme informace, které potřebujeme určit změnu entalpie chemické reakce. Celkové množství roztoku je 200,0 mL a při hustotě 1,00 g / mL máme tedy 200,0 g roztoku. Pomocí rovnice pro q, dosadíme pro naše experimentální měření a specifické teplo vody (Tabulka 7.1 „Konkrétní Ohřívá Různých Látek“):

q=(200.0 g)(4.184 J g⋅°C)(6.7°C)

Řešení pro q, dostaneme

q=5,600 J≡ΔH pro reakci

teplo q je rovno ΔH pro reakci, protože chemická reakce probíhá za konstantního tlaku. Reakce však vydává toto množství energie, takže skutečné znaménko na ΔH je záporné:

ΔH = -5,600 J pro reakci

Tak, máme následující termochemická rovnice pro chemické reakce, která nastala v kalorimetru:

110 NaOH(aq)+110 HCl(aq)→110 NaCl(aq)+110 H2O(ℓ)ΔH=-5,600 J

1/10 koeficienty jsou přítomny, aby nám připomněl, že jsme začali s desetinu krtek každý reaktant, tak jsme se jednu desetinu krtek každého produktu. Typicky však uvádíme termochemické rovnice, pokud jde o krtky, ne jednu desetinu molu. Pro měřítko až molárních veličin musíme koeficienty vynásobit 10. Když to však uděláme, dostaneme 10krát tolik energie. Tak, máme

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ΔH = -56,000 J

ΔH lze převést do kJ jednotky, takže naše konečná termochemická rovnice je

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ΔH = -56 kJ

Máme jen vzít naše experimentální data z kalorimetrie a určuje změnu entalpie chemické reakce. Podobná měření jiných chemických reakcí mohou určit hodnoty ΔH jakékoli chemické reakce, kterou chcete studovat.