Em todas as reações químicas, o calor pode ser recebido do ambiente ou liberado para o ambiente. A troca de calor entre uma reação química e seu ambiente é conhecida como a entalpia da reação, ou H. No entanto, H não pode ser medido diretamente - em vez disso, os cientistas usam a mudança na temperatura de uma reação ao longo do tempo para encontrar a mudança na entalpia ao longo do tempo (escrito como H) Com H, um cientista pode determinar se uma reação emite calor (ou é "exotérmica") ou recebe calor (ou é "endotérmica"). Em geral, H = m x s x T, onde m é a massa dos reagentes, s é o calor específico dos produtos e T é a mudança de temperatura na reação.
Etapa
Método 1 de 3: Resolvendo Problemas de Entalpia
Etapa 1. Determine a reação de seus produtos e reagentes
Qualquer reação química envolve duas categorias químicas - produtos e reagentes. Produtos são substâncias químicas resultantes de reações, enquanto reagentes são substâncias químicas que se combinam ou se dividem para produzir produtos. Em outras palavras, os reagentes de uma reação são como os ingredientes de uma receita de comida, enquanto os produtos são o alimento acabado. Para encontrar o H de uma reação, primeiro identifique os produtos e reagentes.
Por exemplo, digamos que vamos encontrar a entalpia da reação para a formação de água a partir do hidrogênio e do oxigênio: 2H2 (Hidrogênio) + O2 (Oxigênio) → 2H2O (água). Nesta equação, H2 e O2 é o reagente e H2O é um produto.
Etapa 2. Determine a massa total dos reagentes
Em seguida, encontre a massa de seus reagentes. Se você não sabe sua massa e não pode pesá-la em uma escala científica, você pode usar sua massa molar para encontrar sua massa real. A massa molar é uma constante que pode ser encontrada na tabela periódica regular (para elementos individuais) e outras fontes químicas (para moléculas e compostos). Basta multiplicar a massa molar de cada reagente pelo número de moles para encontrar a massa dos reagentes.
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No exemplo da água, nossos reagentes são gases hidrogênio e oxigênio, que possuem massas molares de 2 ge 32 g. Uma vez que estamos usando 2 moles de hidrogênio (a julgar pelo coeficiente de 2 em H2) e 1 mol de oxigênio (a julgar pela ausência de coeficientes em O2), podemos calcular a massa total dos reagentes da seguinte forma:
2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g
Etapa 3. Encontre o calor específico do seu produto
Em seguida, encontre o calor específico do produto que você está analisando. Cada elemento ou molécula tem um calor específico específico: este valor é uma constante e geralmente é encontrado em recursos de aprendizagem de química (por exemplo, na tabela no final de um livro de química). Existem diferentes maneiras de calcular o calor específico, mas para a fórmula que estamos usando, estamos usando a unidade Joule / grama ° C.
- Observe que, se sua equação tiver vários produtos, você precisará calcular a entalpia para as reações dos elementos usados para produzir cada produto e, em seguida, somá-los para encontrar a entalpia geral para a reação.
- No nosso exemplo, o produto final é água, que tem um calor específico de aprox. 4,2 joules / grama ° C.
Etapa 4. Encontre a diferença de temperatura após a ocorrência da reação
A seguir, encontraremos T, a mudança na temperatura antes e depois da reação. Subtraia a temperatura inicial da reação (ou T1) da temperatura final após a reação (ou T2) para calculá-la. Como na maioria dos trabalhos químicos, a temperatura Kelvin (K) é usada (embora Celsius (C) forneça o mesmo resultado).
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Para o nosso exemplo, digamos que a temperatura inicial da reação é 185 K, mas esfria para 95 K quando a reação é concluída. Neste problema, T é calculado da seguinte forma:
T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K
Etapa 5. Use a fórmula H = m x s x T para resolver
Se você tem m, a massa dos reagentes, s, o calor específico dos produtos, e T, a mudança na temperatura da reação, então você está pronto para encontrar a entalpia da reação. Insira seus valores na fórmula H = m x s x T e multiplique para resolver. Sua resposta está escrita em unidades de energia, ou seja, Joules (J).
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Para o nosso problema de exemplo, a entalpia da reação é:
H = (36g) × (4,2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13.608 J
Etapa 6. Determine se sua reação está recebendo ou perdendo energia
Uma das razões mais comuns para calcular H para várias reações é determinar se a reação é exotérmica (perde energia e libera calor) ou endotérmica (ganha energia e absorve calor). Se o sinal de sua resposta final para H for positivo, a reação é endotérmica. Enquanto isso, se o sinal for negativo, a reação é exotérmica. Quanto maior for o número, maior será a reação exotérmica ou endotérmica. Tenha cuidado com reações exotérmicas fortes - às vezes, elas liberam grandes quantidades de energia que, se liberada muito rapidamente, pode causar uma explosão.
Em nosso exemplo, a resposta final é -13608J. Como o sinal é negativo, sabemos que nossa reação é exotérmico. Isso faz sentido - H2 e O2 é um gás, enquanto H2O, o produto, é um líquido. O gás quente (na forma de vapor) deve liberar energia para o meio ambiente na forma de calor, para resfriá-lo e formar um líquido, ou seja, a reação para formar H2O é exotérmico.
Método 2 de 3: Estimando o tamanho da entalpia
Etapa 1. Use as energias de ligação para estimar a entalpia
Quase todas as reações químicas envolvem a formação ou quebra de ligações entre os átomos. Uma vez que nas reações químicas, a energia não pode ser destruída ou criada, se soubermos a quantidade de energia necessária para formar ou quebrar ligações em uma reação, podemos estimar a mudança de entalpia para a reação geral com um alto grau de precisão somando essas ligações energias.
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Por exemplo, a reação usou H2 + F2 → 2HF. Nesta equação, a energia necessária para quebrar os átomos de H na molécula de H é2 é 436 kJ / mol, enquanto a energia necessária para F2 é 158 kJ / mol. Finalmente, a energia necessária para formar HF a partir de H e F é = -568 kJ / mol. Multiplicamos por 2 porque o produto na equação é 2 HF, então 2 × -568 = -1136 kJ / mol. Somando todos eles, obtemos:
436 + 158 + -1136 = - 542 kJ / mol.
Etapa 2. Use a entalpia de formação para estimar a entalpia
A entalpia de formação é um conjunto de valores H que representa a alteração da entalpia de uma reação para produzir uma substância química. Se você conhece a entalpia de formação necessária para produzir os produtos e reagentes da equação, pode adicioná-los para estimar a entalpia como as energias de ligação descritas acima.
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Por exemplo, a equação usada C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O. Nesta equação, sabemos que a entalpia de formação para a seguinte reação é:
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
Uma vez que podemos somar essas equações para obter C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2Ó, da reação que estamos tentando encontrar a entalpia, só precisamos somar a entalpia da reação de formação acima para encontrar a entalpia dessa reação, da seguinte forma:
228 + -788 + -858 = - 1418 kJ / mol.
Etapa 3. Não se esqueça de mudar o sinal ao inverter a equação
É importante notar que quando você usa a entalpia de formação para calcular a entalpia de uma reação, você deve alterar o sinal da entalpia de formação sempre que inverter a equação para a reação dos elementos. Em outras palavras, se você inverter uma ou mais de suas equações para a formação de uma reação de modo que os produtos e reagentes se cancelem, mude o sinal da entalpia da reação de formação que você está trocando.
No exemplo acima, observe que a reação de formação que usamos para C2H5OH de cabeça para baixo. C2H5OH → 2C + 3H2 + 0,5O2 mostrar C2H5OH é dividido, não formado. Como invertemos essa equação para que os produtos e reagentes se cancelem, mudamos o sinal da entalpia de formação para dar 228 kJ / mol. Na verdade, a entalpia de formação para C2H5OH é -228 kJ / mol.
Método 3 de 3: Observando a mudança de entalpia em experimentos
Etapa 1. Pegue um recipiente limpo e encha-o com água
É fácil ver o princípio da entalpia com um experimento simples. Para garantir que sua reação experimental não seja contaminada com substâncias externas, limpe e esterilize os recipientes que pretende usar. Os cientistas usam recipientes selados especiais chamados calorímetros para medir a entalpia, mas você pode obter bons resultados com qualquer vidro ou tubo de ensaio pequeno. Qualquer que seja o recipiente que você usar, encha-o com água limpa em temperatura ambiente. Você também deve fazer a experiência em uma sala com temperatura fria.
Para este experimento, você precisará de um contêiner bem pequeno. Vamos examinar o efeito da mudança de entalpia do Alka-Seltzer na água, portanto, quanto menos água você usar, mais pronunciada será a mudança de temperatura
Etapa 2. Insira o termômetro no recipiente
Pegue um termômetro e coloque-o no recipiente de forma que a ponta do termômetro fique sob a água. Leia a temperatura da água - para nossos propósitos, a temperatura da água é indicada por T1, a temperatura inicial da reação.
Digamos que medimos a temperatura da água e o resultado é 10 graus C. Em algumas etapas, usaremos essas leituras de temperatura para provar o princípio da entalpia
Etapa 3. Adicione um Alka-Seltzer ao recipiente
Quando você estiver pronto para iniciar o experimento, jogue um Alka-Seltzer na água. Você notará imediatamente que o grão está borbulhando e sibilando. Quando os grânulos se dissolvem na água, eles se decompõem no bicarbonato químico (HCO.).3-) e ácido cítrico (que reage na forma de íons de hidrogênio, H+) Esses produtos químicos reagem para formar água e gás dióxido de carbono na equação 3HCO3− + 3H+ → 3H2O + 3CO2.
Etapa 4. Meça a temperatura quando a reação for concluída
Observe enquanto a reação prossegue - os grânulos de Alka-Seltzer se dissolvem lentamente. Assim que a reação do grão terminar (ou desacelerar), meça a temperatura novamente. A água deve estar mais fria do que antes. Se estiver mais quente, o experimento pode ser afetado por forças externas (por exemplo, se a sala em que você está é quente).
Para nosso exemplo experimental, digamos que a temperatura da água seja de 8 graus C depois que os grãos param de efervescer
Etapa 5. Estime a entalpia da reação
Em um experimento ideal, quando você joga um grão Alka-Seltzer na água, ele forma água e gás dióxido de carbono (o gás pode ser observado como uma bolha sibilante) e faz com que a temperatura da água caia. A partir dessas informações, achamos que a reação é endotérmica - ou seja, ela absorve energia do ambiente circundante. Os reagentes líquidos dissolvidos requerem energia adicional para produzir um produto gasoso, de modo que absorvem energia na forma de calor do ambiente (neste experimento, água). Isso faz com que a temperatura da água diminua.
