Dans toutes les réactions chimiques, la chaleur peut être reçue de l'environnement ou libérée dans l'environnement. L'échange de chaleur entre une réaction chimique et son environnement est connu sous le nom d'enthalpie de la réaction, ou H. Cependant, H ne peut pas être mesuré directement - à la place, les scientifiques utilisent le changement de température d'une réaction au fil du temps pour trouver le changement d'enthalpie au fil du temps (écrit comme H). Avec H, un scientifique peut déterminer si une réaction dégage de la chaleur (ou est "exothermique") ou reçoit de la chaleur (ou est "endothermique"). En général, H = m x s x T, où m est la masse des réactifs, s est la chaleur spécifique des produits et T est le changement de température dans la réaction.
Étape
Méthode 1 sur 3: Résolution des problèmes d'enthalpie
Étape 1. Déterminez la réaction de vos produits et réactifs
Toute réaction chimique implique deux catégories chimiques - les produits et les réactifs. Les produits sont des substances chimiques résultant de réactions, tandis que les réactifs sont des substances chimiques qui se combinent ou se divisent pour produire des produits. En d'autres termes, les réactifs d'une réaction sont comme les ingrédients d'une recette alimentaire, tandis que les produits sont les aliments finis. Pour trouver le H d'une réaction, identifiez d'abord les produits et les réactifs.
Par exemple, disons que nous allons trouver l'enthalpie de la réaction pour la formation d'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène: 2H2 (hydrogène) + O2 (Oxygène) → 2H2O (Eau). Dans cette équation, H2 et O2 est le réactif et H2O est un produit.
Étape 2. Déterminez la masse totale des réactifs
Ensuite, trouvez la masse de vos réactifs. Si vous ne connaissez pas sa masse et ne pouvez pas la peser sur une échelle scientifique, vous pouvez utiliser sa masse molaire pour trouver sa masse réelle. La masse molaire est une constante qui peut être trouvée dans le tableau périodique régulier (pour les éléments simples) et d'autres sources chimiques (pour les molécules et les composés). Il suffit de multiplier la masse molaire de chaque réactif par le nombre de moles pour trouver la masse des réactifs.
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Dans l'exemple de l'eau, nos réactifs sont l'hydrogène et l'oxygène gazeux, qui ont des masses molaires de 2 g et 32 g. Puisque nous utilisons 2 moles d'hydrogène (à en juger par le coefficient de 2 dans H2) et 1 mole d'oxygène (à en juger par l'absence de coefficients dans O2), on peut calculer la masse totale des réactifs comme suit:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Étape 3. Trouvez la chaleur spécifique de votre produit
Ensuite, trouvez la chaleur spécifique du produit que vous analysez. Chaque élément ou molécule a une chaleur spécifique spécifique: cette valeur est une constante et se trouve généralement dans les ressources d'apprentissage de la chimie (par exemple, dans le tableau à la fin d'un manuel de chimie). Il existe différentes manières de calculer la chaleur spécifique, mais pour la formule que nous utilisons, nous utilisons l'unité Joule/gramme °C.
- Notez que si votre équation comporte plusieurs produits, vous devrez calculer l'enthalpie des réactions des éléments utilisés pour produire chaque produit, puis les additionner pour trouver l'enthalpie globale de la réaction.
- Dans notre exemple, le produit final est de l'eau, qui a une chaleur spécifique d'env. 4,2 joules/gramme °C.
Étape 4. Trouvez la différence de température après la réaction
Ensuite, nous trouverons T, le changement de température avant et après la réaction. Soustraire la température initiale de la réaction (ou T1) de la température finale après la réaction (ou T2) pour la calculer. Comme dans la plupart des travaux chimiques, la température Kelvin (K) est utilisée (bien que Celsius (C) donne le même résultat).
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Pour notre exemple, disons que la température initiale de la réaction est de 185K mais se refroidit à 95K lorsque la réaction est terminée. Dans ce problème, T est calculé comme suit:
T = T2 – T1 = 95K – 185K = - 90K
Étape 5. Utilisez la formule H = m x s x T pour résoudre
Si vous avez m, la masse des réactifs, s, la chaleur spécifique des produits, et T, le changement de température de la réaction, alors vous êtes prêt à trouver l'enthalpie de la réaction. Branchez vos valeurs dans la formule H = m x s x T et multipliez pour résoudre. Votre réponse est écrite en unités d'énergie, à savoir Joules (J).
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Pour notre exemple de problème, l'enthalpie de la réaction est:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13 608 J
Étape 6. Déterminez si votre réaction reçoit ou perd de l'énergie
L'une des raisons les plus courantes de calculer H pour diverses réactions est de déterminer si la réaction est exothermique (perd de l'énergie et libère de la chaleur) ou endothermique (gagne de l'énergie et absorbe de la chaleur). Si le signe de votre réponse finale pour H est positif, alors la réaction est endothermique. Pendant ce temps, si le signe est négatif, la réaction est exothermique. Plus le nombre est grand, plus la réaction exo- ou endothermique est importante. Attention aux fortes réactions exothermiques - elles libèrent parfois de grandes quantités d'énergie qui, si elles sont libérées très rapidement, peuvent provoquer une explosion.
Dans notre exemple, la réponse finale est -13608J. Puisque le signe est négatif, nous savons que notre réaction est exothermique. Cela a du sens - H2 et ô2 est un gaz, tandis que H2O, le produit, est un liquide. Le gaz chaud (sous forme de vapeur) doit libérer de l'énergie dans l'environnement sous forme de chaleur, pour le refroidir pour former un liquide, c'est-à-dire la réaction pour former H2O est exothermique.
Méthode 2 sur 3: Estimation de la taille de l'enthalpie
Étape 1. Utilisez les énergies de liaison pour estimer l'enthalpie
Presque toutes les réactions chimiques impliquent la formation ou la rupture de liaisons entre les atomes. Étant donné que dans les réactions chimiques, l'énergie ne peut pas être détruite ou créée, si nous connaissons la quantité d'énergie nécessaire pour former ou rompre des liaisons dans une réaction, nous pouvons estimer le changement d'enthalpie pour la réaction globale avec un degré élevé de précision en additionnant ces liaisons. énergies.
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Par exemple, la réaction utilisée H2 + F2 → 2HF. Dans cette équation, l'énergie nécessaire pour décomposer les atomes H dans la molécule H. est2 est de 436 kJ/mol, tandis que l'énergie requise pour F2 est de 158 kJ/mol. Enfin, l'énergie nécessaire pour former HF à partir de H et F est = -568 kJ/mol. Nous multiplions par 2 car le produit dans l'équation est 2 HF, donc 2 × -568 = -1136 kJ/mol. En les additionnant tous, on obtient:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ/mol.
Étape 2. Utilisez l'enthalpie de formation pour estimer l'enthalpie
L'enthalpie de formation est un ensemble de valeurs H qui représente la variation d'enthalpie d'une réaction pour produire une substance chimique. Si vous connaissez l'enthalpie de formation requise pour produire les produits et les réactifs de l'équation, vous pouvez les additionner pour estimer l'enthalpie comme les énergies de liaison décrites ci-dessus.
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Par exemple, l'équation utilisée C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Dans cette équation, nous savons que l'enthalpie de formation pour la réaction suivante est:
C2H5OH → 2C + 3H2 +0.5O2 = 228 kJ/mol
2C + 2O2 → 2CO2 = -394 × 2 = -788 kJ/mol
3H2 +1,5 O2 → 3H2O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
Puisque nous pouvons additionner ces équations pour obtenir C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O, à partir de la réaction dont nous essayons de trouver l'enthalpie, il suffit d'additionner l'enthalpie de la réaction de formation ci-dessus pour trouver l'enthalpie de cette réaction, comme suit:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ/mol.
Étape 3. N'oubliez pas de changer le signe lorsque vous inversez l'équation
Il est important de noter que lorsque vous utilisez l'enthalpie de formation pour calculer l'enthalpie d'une réaction, vous devez changer le signe de l'enthalpie de formation chaque fois que vous inversez l'équation de la réaction des éléments. En d'autres termes, si vous inversez une ou plusieurs de vos équations pour la formation d'une réaction de sorte que les produits et les réactifs s'annulent, changez le signe de l'enthalpie de la réaction de formation que vous échangez.
Dans l'exemple ci-dessus, notez que la réaction de formation que nous avons utilisée pour C2H5OH à l'envers. C2H5OH → 2C + 3H2 +0.5O2 montrer C2H5OH est divisé, pas formé. Comme nous avons inversé cette équation pour que les produits et les réactifs s'annulent, nous avons changé le signe de l'enthalpie de formation pour donner 228 kJ/mol. En effet, l'enthalpie de formation de C2H5OH est de -228 kJ/mol.
Méthode 3 sur 3: Observation du changement d'enthalpie dans les expériences
Étape 1. Prenez un récipient propre et remplissez-le d'eau
Il est facile de voir le principe de l'enthalpie avec une expérience simple. Pour vous assurer que votre réaction expérimentale n'est pas contaminée par des substances externes, nettoyez et stérilisez les récipients que vous avez l'intention d'utiliser. Les scientifiques utilisent des récipients scellés spéciaux appelés calorimètres pour mesurer l'enthalpie, mais vous pouvez obtenir de bons résultats avec n'importe quel verre ou petit tube à essai. Quel que soit le récipient que vous utilisez, remplissez-le d'eau propre à température ambiante. Vous devriez également expérimenter dans une pièce avec une température froide.
Pour cette expérience, vous aurez besoin d'un récipient assez petit. Nous examinerons l'effet du changement d'enthalpie d'Alka-Seltzer sur l'eau, donc moins vous utilisez d'eau, plus le changement de température sera prononcé
Étape 2. Insérez le thermomètre dans le récipient
Prenez un thermomètre et placez-le dans le récipient de manière à ce que la pointe du thermomètre soit sous l'eau. Lisez la température de l'eau - pour nos besoins, la température de l'eau est notée T1, la température initiale de la réaction.
Disons que nous mesurons la température de l'eau et que le résultat est de 10 degrés C. En quelques étapes, nous utiliserons ces relevés de température pour prouver le principe de l'enthalpie
Étape 3. Ajoutez un Alka-Seltzer au conteneur
Lorsque vous êtes prêt à commencer l'expérience, déposez un Alka-Seltzer dans l'eau. Vous remarquerez immédiatement que le grain bouillonne et siffle. Lorsque les billes se dissolvent dans l'eau, elles se décomposent en bicarbonate chimique (HCO.).3-) et l'acide citrique (qui réagit sous forme d'ions hydrogène, H+). Ces produits chimiques réagissent pour former de l'eau et du dioxyde de carbone gazeux dans l'équation 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Étape 4. Mesurez la température lorsque la réaction est terminée
Observez le déroulement de la réaction - les granulés d'Alka-Seltzer se dissolvent lentement. Dès que la réaction des grains se termine (ou s'est ralentie), mesurez à nouveau la température. L'eau doit être plus froide qu'avant. S'il fait plus chaud, l'expérience peut être affectée par des forces extérieures (par exemple, si la pièce dans laquelle vous vous trouvez est chaude).
Pour notre exemple expérimental, disons que la température de l'eau est de 8 degrés C après que les grains cessent de pétiller
Étape 5. Estimez l'enthalpie de la réaction
Dans une expérience idéale, lorsque vous déposez un grain d'Alka-Seltzer dans l'eau, il se forme de l'eau et du dioxyde de carbone (le gaz peut être observé sous la forme d'une bulle sifflante) et fait baisser la température de l'eau. À partir de ces informations, nous supposons que la réaction est endothermique, c'est-à-dire qu'elle absorbe l'énergie du milieu environnant. Les réactifs liquides dissous nécessitent une énergie supplémentaire pour produire un produit gazeux, ils absorbent donc de l'énergie sous forme de chaleur de l'environnement (dans cette expérience, de l'eau). Cela fait baisser la température de l'eau.
