Entalpia i reakcje chemiczne

7.3 Entalpia i reakcje chemiczne

teraz, gdy pokazaliśmy, jak energia, praca i ciepło są powiązane, jesteśmy gotowi rozważyć zmiany energii w reakcjach chemicznych. Podstawową koncepcją jest to, że każda reakcja chemiczna zachodzi przy jednoczesnej zmianie energii. Teraz musimy nauczyć się prawidłowo wyrażać te zmiany energii.

nasze badania nad gazami w rozdziale 6 „gazy” oraz nasza definicja pracy w sekcji 7.2 „Praca i ciepło” wskazują, że Warunki takie jak ciśnienie, objętość i temperatura wpływają na zawartość energii w układzie. To, czego potrzebujemy, to definicja energii, która obowiązuje, gdy określone są niektóre z tych warunków (nieco podobna do naszej definicji standardowej temperatury i ciśnienia w naszym badaniu gazów). Określamy zmianę entalpii ciepła procesu przy stałym ciśnieniu; oznaczamy ΔH. (ΔH) jako ciepło procesu, gdy ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie:

ΔH≡ciśnienie stałe qat

litera H oznacza „entalpię”, rodzaj energii, podczas gdy Δ oznacza zmianę ilości. Zawsze będziemy zainteresowani zmianą w H, a nie wartością bezwzględną samego H.

gdy zachodzi reakcja chemiczna, następuje charakterystyczna zmiana entalpii. Zmiana entalpii dla reakcji jest zwykle zapisywana po zrównoważonym równaniu chemicznym i na tej samej linii. Na przykład, gdy dwa Mole wodoru reagują z jednym molem tlenu, tworząc dwa Mole wody, charakterystyczna zmiana entalpii wynosi 570 kJ. Zapisujemy równanie jako

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ) ΔH = -570 kJ

równanie chemiczne zawierające zmianę entalpii nazywa się równaniem termochemicznym równanie chemiczne zawierające zmianę entalpii.. Przyjmuje się, że równanie termochemiczne odnosi się do równania w ilościach molowych, co oznacza, że musi być interpretowane w kategoriach moli, a nie pojedynczych cząsteczek.

być może zauważyłeś, że ΔH dla reakcji chemicznej może być dodatnie lub ujemne. Przyjmuje się, że liczba jest dodatnia, jeśli nie ma znaku; znak + można dodać wyraźnie, aby uniknąć nieporozumień. Reakcja chemiczna, która ma dodatnią ΔH, jest uważana za reakcję chemiczną endotermiki, która ma dodatnią zmianę entalpii., podczas gdy reakcja chemiczna, która ma ujemną ΔH, jest uważana za egzotermiczną reakcję chemiczną, która ma ujemną zmianę entalpii..

Co to znaczy, że ΔH procesu jest dodatnia? Oznacza to, że układ, w którym zachodzi reakcja chemiczna, zyskuje energię. Jeśli ktoś uważa, że energia układu jest reprezentowana jako wysokość na pionowym wykresie energii, zmiana entalpii, która towarzyszy reakcji, może być schematycznie jak w części (a) na rysunku 7.3 „Energia reakcji”: energia reagentów ma pewną energię, a system zwiększa swoją energię, gdy idzie do produktów. Produkty są wyższe w skali pionowej niż reagenty. Endotermiczny oznacza zatem, że system zyskuje lub pochłania energię.

odwrotna sytuacja istnieje dla procesu egzotermicznego, jak pokazano w części (b) na rysunku 7.3 „Energia reakcji”. Jeśli zmiana entalpii reakcji jest ujemna, układ traci energię, więc produkty mają mniej energii niż reagenty, a produkty są niższe w pionowej skali energetycznej niż reagenty. Egzotermika oznacza zatem, że system traci lub wydziela energię.

jak mierzy się wartości ΔH doświadczalnie? W rzeczywistości ΔH nie jest mierzone; Q jest mierzone. Ale pomiary są wykonywane w warunkach stałego ciśnienia, więc ΔH jest równe mierzonemu Q.

eksperymentalnie, Q mierzy się korzystając z równania

q = mcΔT

przedmierzamy masę substancji chemicznych w układzie. Następnie pozwalamy na reakcję chemiczną i mierzymy zmianę temperatury (ΔT) układu. Jeśli znamy ciepło właściwe materiałów w systemie (zazwyczaj tak jest), Możemy obliczyć q. ta wartość q jest numerycznie równa ΔH procesu, który możemy skalować do skali molowej. Pojemnik, w którym znajduje się system, jest zazwyczaj izolowany, więc każda zmiana energii przechodzi w zmianę temperatury systemu, zamiast wycieku z systemu. Pojemnik jest określany jako pojemnik calorimeterA używany do pomiaru ciepła reakcji chemicznej., a proces pomiaru zmian entalpii nazywa się kalorymetrycznym procesem pomiaru zmian entalpii dla reakcji chemicznych..

na przykład załóżmy, że 4,0 g NaOH lub 0,10 mola NaOH rozpuszcza się, aby uzyskać 100,0 mL roztworu wodnego, podczas gdy 3,65 G HCl lub 0,10 mola HCl rozpuszcza się, aby uzyskać kolejne 100,0 mL roztworu wodnego. Oba rozwiązania są mieszane w izolowanym kalorymetrze, wkłada się termometr i kalorymetr jest zakryty (patrz rysunek 7.4 „Kalorymetry” dla przykładowego ustawienia). Termometr mierzy zmianę temperatury, gdy zachodzi następująca reakcja chemiczna:

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

obserwator zauważa, że temperatura wzrasta z 22,4°C do 29,1°C. zakładając, że pojemności cieplne i gęstości roztworów są takie same jak w czystej wodzie, mamy teraz informacje potrzebne do określenia zmiany entalpii reakcji chemicznej. Całkowita ilość roztworu wynosi 200,0 mL, a przy gęstości 1,00 g / mL mamy zatem 200,0 g roztworu. Używając równania dla q, zastępujemy nasze eksperymentalne pomiary i ciepło właściwe wody(tabela 7.1 „ciepło właściwe różnych substancji”):

q=(200,0 G) (4,184 J g⋅°C) (6,7°C)

rozwiązując dla q, otrzymujemy

q=5600 J δ ΔH dla reakcji

ciepło q jest równe ΔH dla reakcji, ponieważ reakcja chemiczna zachodzi przy stałym ciśnieniu. Jednak reakcja oddaje tę ilość energii, więc rzeczywisty znak ΔH jest ujemny:

ΔH = -5600 J dla reakcji

mamy więc następujące równanie termochemiczne dla reakcji chemicznej, która wystąpiła w kalorymetrze:

110 NaOH(aq)+110 HCl(AQ)→110 NaCl(AQ)+110 H2O(ℓ)ΔH=-5600 J

współczynniki 1/10 są obecne, aby przypomnieć nam, że zaczęliśmy od jednej dziesiątej mola każdego reagenta, więc produkujemy jedną dziesiątą mola każdego produktu. Zazwyczaj jednak zgłaszamy równania termochemiczne w kategoriach moli, a nie jednej dziesiątej mola. Aby przeskalować do wielkości molowych, musimy pomnożyć współczynniki przez 10. Jednak kiedy to robimy, otrzymujemy 10 razy więcej energii. Tak więc, mamy

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

ΔH można przekształcić w jednostki kJ, więc nasze końcowe równanie termochemiczne to

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

właśnie wzięliśmy nasze dane eksperymentalne z kalorymetrii i ustaliliśmy wartość zmiana entalpii reakcji chemicznej. Podobne pomiary na innych reakcjach chemicznych mogą określić wartości ΔH dowolnej reakcji chemicznej, którą chcesz zbadać.