Co to jest ciepło reakcji?
Ciepło reakcji lub entalpia reakcji (ΔH) jest zmianą entalpii reakcji chemicznej, która zachodzi przy stałym ciśnieniu (Anne Marie Helmenstine, 2014).
Ponieważ entalpia pochodzi od ciśnienia, objętości i energii wewnętrznej, które są wszystkimi funkcjami stanu, entalpia jest również funkcją stanu (Rachel Martin, 2014).
ΔH lub zmiana entalpii pojawiły się jako jednostka miary do obliczenia zmiany energii w systemie, gdy znalezienie UU lub zmiana energii wewnętrznej układu stały się zbyt trudne, jednocześnie mierząc ilość ciepła i pracy wymieniony.
Przy stałym ciśnieniu zmiana entalpii jest równa ciepłu i może być mierzona jako ΔH = q.
Zapis ΔHº lub ΔHºr powstaje wówczas, aby wyjaśnić dokładną temperaturę i ciśnienie ciepła reakcji ΔH.
Standardowa entalpia reakcji jest symbolizowana przez ΔHº lub ΔHºrxn i może przyjmować wartości dodatnie i ujemne. Jednostkami ΔHº są kilodżuli na mol lub kj / mol.
Poprzednia koncepcja zrozumienia ciepła reakcji: różnice między ΔH i ΔHº r .
Δ = oznacza zmianę entalpii (entalpia produktów minus entalpia reagentów).
Wartość dodatnia wskazuje, że produkty mają wyższą entalpię lub że jest to reakcja endotermiczna (wymagane jest ciepło).
Wartość ujemna wskazuje, że reagenty mają wyższą entalpię lub że jest to reakcja egzotermiczna (wytwarzane jest ciepło).
º = oznacza, że reakcja jest standardową zmianą entalpii i zachodzi przy zadanym ciśnieniu / temperaturze.
r = oznacza, że ta zmiana jest entalpią reakcji.
Stan standardowy: standardowy stan ciała stałego lub cieczy jest czystą substancją pod ciśnieniem 1 bara lub taką samą 1 atmosferą (105 Pa) i temperaturą 25 ° C lub taką samą 298 K,
ΔHºr jest standardowym ciepłem reakcji lub standardową entalpią reakcji i jako ΔH mierzy również entalpię reakcji. Jednak ΔHºrxn zachodzi w warunkach „standardowych”, co oznacza, że reakcja zachodzi w 25 ° C i 1 atm.
Korzyść z pomiaru ΔH w standardowych warunkach polega na zdolności do powiązania wartości ΔHº z inną, ponieważ występują one w tych samych warunkach (Clark, 2013).
Ciepło treningowe
Standardowym ciepłem formowania, ΔH fº, substancji chemicznej jest ilość ciepła absorbowanego lub uwalnianego z tworzenia 1 mola tej substancji chemicznej w 25 stopniach Celsjusza i 1 bar jej pierwiastków w stanach standardowych.
Element jest w swoim standardowym stanie, jeśli jest w swojej najbardziej stabilnej formie i stanie fizycznym (ciało stałe, ciecz lub gaz) w 25 stopniach Celsjusza i 1 bar (Jonathan Nguyen, 2017).
Na przykład standardowe ciepło powstawania dwutlenku węgla obejmuje tlen i węgiel jako odczynniki.
Tlen jest bardziej stabilny jako cząsteczki gazu O 2, podczas gdy węgiel jest bardziej stabilny jako stały grafit. (Grafit jest bardziej stabilny niż diament w standardowych warunkach).
Aby wyrazić definicję w inny sposób, standardowe ciepło formowania jest specjalnym typem standardowego ciepła reakcji.
Reakcja polega na utworzeniu 1 mola substancji chemicznej jej pierwiastków w ich standardowych stanach w standardowych warunkach.
Standardowe ciepło formacji nazywane jest również standardową entalpią formacji (chociaż tak naprawdę jest to zmiana entalpii).
Z definicji, formowanie się samego elementu nie spowodowałoby żadnej zmiany entalpii, więc standardowe ciepło reakcji dla wszystkich elementów wynosi zero (Cai, 2014).
Obliczanie entalpii reakcji
1- Obliczenia eksperymentalne
Entalpię można zmierzyć eksperymentalnie za pomocą kalorymetru. Kalorymetr jest instrumentem, w którym próbka jest poddawana reakcji przez kable elektryczne, które zapewniają energię aktywacji. Próbka znajduje się w pojemniku otoczonym wodą, która jest stale mieszana.
Podczas pomiaru ze zmianą temperatury, która zachodzi podczas reakcji próbki, i znając ciepło właściwe wody i jej masy, ciepło, które uwalnia lub absorbuje reakcję, oblicza się za pomocą równania q = Cesp xmx ΔT.
W tym równaniu q oznacza ciepło, Cesp to ciepło właściwe w tym przypadku wody równe 1 kalorii na gram, m to masa wody, a ΔT to zmiana temperatury.
Kalorymetr jest izolowanym układem, który ma stałe ciśnienie, więc ΔH r = q
2- Obliczenia teoretyczne
Zmiana entalpii nie zależy od konkretnej ścieżki reakcji, a jedynie od ogólnego poziomu energii produktów i odczynników. Entalpia jest funkcją stanu i jako taka jest addytywna.
Aby obliczyć standardową entalpię reakcji, możemy dodać standardowe entalpie tworzenia reagentów i odjąć ją od sumy standardowych entalpii tworzenia produktów (Boundless, SF). Mówiąc matematycznie, daje nam to:
ΔH r ° = Σ H f º (produkty) - Σ ΔH f º (reagenty).
Entalpie reakcji są zwykle obliczane z entalpii tworzenia odczynnika w normalnych warunkach (ciśnienie 1 bar i temperatura 25 stopni Celsjusza).
Aby wyjaśnić tę zasadę termodynamiki, obliczymy entalpię reakcji spalania metanu (CH 4 ) według wzoru:
CH4 (g) + 2O 2 (g) → CO2 (g) + 2H 2 O (g)
Aby obliczyć standardową entalpię reakcji, musimy poszukać standardowych entalpii formacji dla każdego z reagentów i produktów biorących udział w reakcji.
Znajdują się one zazwyczaj w dodatku lub w kilku tabelach online. Do tej reakcji potrzebujemy danych:
H fº CH4 (g) = -75 kjoul / mol.
HfO2 (g) = 0 kjoul / mol.
HfCO2 (g) = -394 kjoul / mol.
Hf H20 (g) = -284 kjoul / mol.
Należy zauważyć, że ponieważ jest w swoim standardowym stanie, standardowa entalpia tworzenia tlenu gazowego wynosi 0 kJ / mol.
Następnie podsumowujemy nasze standardowe entalpie szkolenia. Zauważ, że ponieważ jednostki są w kJ / mol, musimy pomnożyć przez współczynniki stechiometryczne w zrównoważonym równaniu reakcji (Leaf Group Ltd, SF).
Σ ΔH f º (produkty) = ΔH f º CO 2 + 2 ΔH f º H 2 O
H ΔH fº (produkty) = -1 (394 kjoul / mol) -2 (284 kjoul / mol) = -962 kjoul / mol
Σ HH f ((reagenty) = ΔH f CH CH 4 + ΔH f O O 2
H ΔH fº (reagenty) = -75 kjoul / mol + 2 (0 kjoul / mol) = -75 kjoul / mol
Teraz możemy znaleźć standardową entalpię reakcji:
ΔH r ° = Σ ΔH fº (produkty) - Σ ΔH fº (reagenty) = (- 962) - (- 75) =
ΔH r ° = - 887 kJ / mol.
