Entalpia și reacțiile chimice

7.3 entalpia și reacțiile chimice

acum că am arătat cum sunt legate energia, munca și căldura, suntem gata să luăm în considerare schimbările energetice în reacțiile chimice. Un concept fundamental este că fiecare reacție chimică are loc cu o schimbare simultană a energiei. Acum trebuie să învățăm cum să exprimăm în mod corespunzător aceste schimbări energetice.

studiul gazelor din capitolul 6 „gaze” și definiția muncii din secțiunea 7.2 „muncă și căldură” indică faptul că Condiții precum presiunea, volumul și temperatura afectează conținutul energetic al unui sistem. Ceea ce avem nevoie este o definiție a energiei care se menține atunci când unele dintre aceste condiții sunt specificate (oarecum similară cu definiția noastră a temperaturii și presiunii standard în studiul nostru asupra gazelor). Definim schimbarea entalpieicăldura unui proces la presiune constantă; notată INKTHH. (XVH) ca căldură a unui proces atunci când presiunea este menținută constantă:

presiunea constantă

litera H reprezintă „entalpia”, un fel de energie, în timp ce în cazul lui se produce o modificare a cantității. Vom fi întotdeauna interesați de schimbarea în H, mai degrabă decât de valoarea absolută a lui H în sine.

când apare o reacție chimică, există o schimbare caracteristică a entalpiei. Schimbarea entalpiei pentru o reacție este de obicei scrisă după o ecuație chimică echilibrată și pe aceeași linie. De exemplu, atunci când doi moli de hidrogen reacționează cu un mol de oxigen pentru a face doi moli de apă, schimbarea caracteristică a entalpiei este de 570 kJ. Noi scriem ecuația ca

2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) 2H2O (XQ) XQX = -570 KJ

o ecuație chimică care include o modificare entalpie se numește ecuație termochimicăo ecuație chimică care include o modificare entalpie.. Se presupune că o ecuație termochimică se referă la ecuație în cantități molare, ceea ce înseamnă că trebuie interpretată în termeni de moli, nu molecule individuale.

s-ar putea să fi observat că pentru o reacție chimică, valoarea de X-X poate fi pozitivă sau negativă. Se presupune că numărul este pozitiv dacă nu are semn; un semn + poate fi adăugat Explicit pentru a evita confuzia. Se spune că o reacție chimică care are o valoare pozitivă a XIF este o reacție chimică endotermică care are o schimbare pozitivă în entalpie., în timp ce se spune că o reacție chimică care are un HECTH negativ este o reacție chimică exotermică care are o schimbare negativă în entalpie..

ce înseamnă dacă valoarea unui proces este pozitivă? Aceasta înseamnă că sistemul în care are loc reacția chimică câștigă energie. Dacă se consideră că energia unui sistem este reprezentată ca o înălțime pe un grafic energetic vertical, schimbarea entalpiei care însoțește reacția poate fi diagramată ca în partea (a) din Figura 7.3 „energia de reacție”: energia reactanților are o anumită energie, iar sistemul își crește energia pe măsură ce merge la produse. Produsele sunt mai mari pe scara verticală decât reactanții. Endotermic, atunci, implică faptul că sistemul câștigă sau absoarbe energie.

există o situație opusă pentru un proces exoterm, așa cum se arată în partea (b) din Figura 7.3 „energia de reacție”. Dacă schimbarea entalpiei unei reacții este negativă, sistemul pierde energie, astfel încât produsele au mai puțină energie decât reactanții, iar produsele sunt mai mici pe scara energetică verticală decât reactanții. Exoterma, atunci, implică faptul că sistemul pierde sau degajă energie.

cum se masoara experimental valorile de la Alecs? De fapt, nu se măsoară x-H; q se măsoară. Dar măsurătorile sunt efectuate în condiții de presiune constantă, astfel încât XQH este egal cu Q măsurat.

Experimental, q se măsoară profitând de ecuația

q = mc-ult

premăsurăm masa substanțelor chimice dintr-un sistem. Apoi lăsăm reacția chimică să apară și să măsurăm schimbarea temperaturii (CENTICT) a sistemului. Dacă cunoaștem căldura specifică a materialelor din sistem (de obicei, o facem), putem calcula q. această valoare a lui q este numeric egală cu XQTAH a procesului, pe care o putem scala până la o scară molară. Containerul în care se află sistemul este de obicei izolat, astfel încât orice schimbare de energie duce la schimbarea temperaturii sistemului, mai degrabă decât la scurgerea din sistem. Containerul este denumit calorimetrun recipient utilizat pentru a măsura căldura unei reacții chimice., iar procesul de măsurare a modificărilor entalpiei se numește calorimetrieprocesul de măsurare a modificărilor entalpiei pentru reacțiile chimice..

de exemplu, să presupunem că 4,0 g de NaOH sau 0,10 mol de NaOH sunt dizolvate pentru a face 100,0 mL de soluție apoasă, în timp ce 3,65 g de HCl sau 0,10 mol de HCl sunt dizolvate pentru a face încă 100,0 mL de soluție apoasă. Cele două soluții sunt amestecate într-un calorimetru izolat, se introduce un termometru și calorimetrul este acoperit (vezi figura 7.4 „calorimetre” pentru un exemplu de configurare). Termometrul măsoară schimbarea temperaturii pe măsură ce are loc următoarea reacție chimică:

NaOH (aq) + HCl(AQ) NaCl(aq) + H2O(hectolitru)

un observator observă că temperatura crește de la 22,4% C la 29,1% C. presupunând că capacitățile și densitățile termice ale soluțiilor sunt aceleași cu cele ale apei pure, acum avem informațiile de care avem nevoie pentru a determina schimbarea entalpiei reacției chimice. Cantitatea totală de soluție este de 200,0 mL, iar cu o densitate de 1,00 g/mL, avem astfel 200,0 g de soluție. Folosind ecuația pentru q, înlocuim măsurătorile noastre experimentale și căldura specifică a apei(tabelul 7.1 „încălziri specifice ale diferitelor substanțe”):

q=(200,0 g) (4,184 j g XCT) (6,7 XCT)

rezolvarea pentru Q, obținem

q=5.600 J XCT pentru reacție

căldura Q este egală cu cea pentru reacție deoarece reacția chimică are loc la presiune constantă. Cu toate acestea, reacția degajă această cantitate de energie, astfel încât semnul real de pe XVH este negativ:

pentru reactie

avem urmatoarea ecuatie termochimica pentru reactia chimica care s-a produs in calorimetru:

110 NaOH(aq)+110 HCl(aq) 110 naci(AQ)+110 H2O(AQ)-5600 J

coeficientii 1/10 sunt prezenti pentru a ne reaminti ca am inceput cu o zecime dintr-un mol din fiecare reactant, astfel incat facem o zecime dintr-un mol din fiecare produs. De obicei, însă, raportăm ecuații termochimice în termeni de alunițe, nu o zecime dintr-o aluniță. Pentru a scala până la cantități molare, trebuie să înmulțim coeficienții cu 10. Cu toate acestea, atunci când facem acest lucru, obținem de 10 ori mai multă energie. Astfel, avem

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

ΔH poate fi transformat într-kJ unități, astfel încât ultima noastră ecuația termochimică este

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

Ne-au luat doar datele noastre experimentale de calorimetrie și a determinat o schimbare entalpia unei reacții chimice. Măsurători similare cu privire la alte reacții chimice pot determina valorile de X-H ale oricărei reacții chimice pe care doriți să o studiați.

raspunsuri

1. in conditii de presiune constanta

2. H2(g) + Cl2(G) 2HCl(g) -184 KJ

3. N2(g) + O2(g) 2nu2(g) XlX = 180 kj

4. exoterme

5. endoterme

6. 

7. căldură de reacție=-14.0 kj; -56,0 kJ/mol de reactanți

8. căldură de reacție = -68,6 kJ; -1,370 kJ/mol de etanol