ดาวน์โหลดบทความ
ดาวน์โหลดบทความ
ในระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาเคมีใดๆ ความร้อนถูกดูดจากสิ่งแวดล้อมหรือปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างปฏิกิริยาเคมีและสิ่งแวดล้อมเรียกว่าเอนทัลปีของปฏิกิริยาเคมี หรือ H อย่างไรก็ตาม H ไม่ใช่ค่าที่วัดออกมาโดยตรง นักวิทยาศาสตร์จึงใช้ ค่าการเปลี่ยนแปลง อุณหภูมิของปฏิกิริยาเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อหา ค่าการเปลี่ยนแปลง เอนทัลปีเมื่อเวลาผ่านไป (แทนด้วย ∆H ) นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าปฏิกิริยาหนึ่งปล่อยความร้อน (หรือเรียกว่า คายความร้อน ) หรือรับความร้อน (หรือเรียกว่า ดูดกลืนความร้อน ) ได้โดยใช้ ∆H โดยปกติ ∆H = m x s x ∆T โดย m คือมวลของสารตั้งต้น s คือความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ และ ∆T คือค่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีนั้น
ขั้นตอน
-
รู้ว่าผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นของปฏิกิริยาคืออะไร. ปฏิกิริยาเคมีใดๆ ประกอบด้วยสารเคมีสองประเภทคือผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น ผลิตภัณฑ์คือสารเคมีที่ เกิดขึ้น จากปฏิกิริยานั้น ส่วนสารตั้งต้นคือสารเคมีที่ ทำปฏิกิริยา รวม หรือสลาย เพื่อทำให้เกิดผลิตภัณฑ์นั้นขึ้นมา กล่าวให้ชัดเจนคือสารตั้งต้นเหมือนส่วนผสมต่างๆ ในตำราอาหาร ส่วนผลิตภัณฑ์เหมือนอาหารที่ปรุงเสร็จแล้ว เราต้องรู้ว่าผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นคืออะไรก่อนที่จะหา ∆H ของปฏิกิริยา
- ตัวอย่างเช่น เราต้องการหาเอนทัลปีของปฏิกิริยาการเกิดน้ำจากไฮโดรเจนและออกซิเจน: 2H 2 (ไฮโดรเจน) + O 2 (ออกซิเจน) → 2H 2 O (น้ำ) ในสมการนี้ H 2 และ O 2 คือสารตั้งต้น และ H 2 O คือผลิตภัณฑ์
-
หามวลรวมของสารตั้งต้น. ต่อไปหามวลของสารตั้งต้น ถ้าไม่รู้ว่าสารตั้งต้นมีมวลเท่าไรและไม่สามารถชั่งด้วยเครื่องชั่งดิจิตอลได้ เราสามารถใช้มวลโมลาร์เพื่อหามวลตามจริงของสารตั้งต้นได้ มวลโมลาร์คือค่าคงตัวที่พบได้ในตารางธาตุมาตรฐาน (มีข้อมูลมวลโมลาร์ของแต่ละธาตุ) และแหล่งความรู้วิชาเคมีอื่นๆ (มีข้อมูลโมเลกุลและสารประกอบ) แค่นำมวลโมลาร์ของสารตั้งต้นแต่ละตัวมาคูณจำนวนโมลที่ใช้เพื่อหามวลของสารตั้งต้น
- ในตัวอย่างที่ยกมาสารตั้งต้นของเราคือก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน มีมวล 2 กรัมและ 32 กรัมตามลำดับ เนื่องจากเราใช้ไฮโดรเจน 2 โมล (ดูจากสัมประสิทธิ์ "2" ข้างหน้า H 2
) และออกซิเจน 1 โมล (ไม่มีสัมประสิทธิ์อยู่ข้างหน้า O 2
) เราจึงสามารถคำนวณหามวลรวมของสารตั้งต้นได้ดังนี้:
2 × (2 กรัม) + 1 × (32g) = 4 กรัม + 32 กรัม= 36 กรัม
- ในตัวอย่างที่ยกมาสารตั้งต้นของเราคือก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน มีมวล 2 กรัมและ 32 กรัมตามลำดับ เนื่องจากเราใช้ไฮโดรเจน 2 โมล (ดูจากสัมประสิทธิ์ "2" ข้างหน้า H 2
) และออกซิเจน 1 โมล (ไม่มีสัมประสิทธิ์อยู่ข้างหน้า O 2
) เราจึงสามารถคำนวณหามวลรวมของสารตั้งต้นได้ดังนี้:
-
หาความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์. ต่อไปหาความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ที่เราวิเคราะห์อยู่ ธาตุทุกธาตุหรือโมลกุลทุกโมเลกุลมีค่าความร้อนจำเพาะที่สัมพันธ์กับธาตุหรือโมเลกุลนั้น ค่าเหล่านี้เป็นค่าคงตัวและโดยปกติอยู่ในแหล่งความรู้วิชาเคมี (ยกตัวอย่างเช่น ในตารางหลังหนังสือเรียนวิชาเคมี) มีหน่วยวัดความร้อนจำเพาะหลายหน่วย แต่สูตรของบทความนี้เราจะใช้หน่วยจูล/กรัม°C
- จะสังเกตเห็นว่าถ้าสมการมีผลิตภัณฑ์หลายผลิตภัณฑ์ เราจะต้องคำนวณหาเอนทัลปีของปฏิกิริยาองค์ประกอบที่ใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์แต่ละผลิตภัณฑ์ จากนั้นนำมาบวกกันเพื่อหาเอนทัลปีของปฏิกิริยาทั้งหมด
- ในตัวอย่างของเราผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายคือน้ำ โดยน้ำมีความร้อนจำเพาะประมาณ 4.2 จูล/กรัม °C
-
หาผลต่างของอุณหภูมิก่อนและหลังเกิดปฏิกิริยา. ต่อไปเราจะหา ∆T ซึ่งก็คือค่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิก่อนเกิดปฏิกิริยาไปจนถึงหลังเกิดปฏิกิริยา นำอุณหภูมิเริ่มต้น (หรือ T1) ของปฏิกิริยาไปลบออกจากอุณหภูมิสุดท้าย (หรือ T2) เพื่อคำนวณหาค่านี้ ในการคำนวณทางเคมีโดยส่วนใหญ่จะใช้หน่วยเคลวิน(K) (ถึงแม้หน่วยองศาเซลเซียส (C) จะให้ผลลัพธ์เดียวกันก็ตาม)
- ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยามีอุณหภูมิ 185 เคลวินในตอนแรก แต่ลดลงเหลือ 95 เคลวินเมื่อทำปฏิกิริยาเสร็จแล้ว ในกรณีนี้เมื่อคำนวณหา ∆T ก็จะได้เป็น:
∆T = T2 – T1 = 95 เคลวิน – 185 เคลวิน = -90 เคลวิน
- ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยามีอุณหภูมิ 185 เคลวินในตอนแรก แต่ลดลงเหลือ 95 เคลวินเมื่อทำปฏิกิริยาเสร็จแล้ว ในกรณีนี้เมื่อคำนวณหา ∆T ก็จะได้เป็น:
-
ใช้สูตร ∆H = m x s x ∆T หาเอนทัลปี. พอเรารู้ค่า m หรือมวลของสารตั้งต้น s หรือความร้อนจำเพาะของผลิตภัณฑ์ และ ∆T หรือค่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของปฏิกิริยา เราก็พร้อมที่จะหาเอนทัลปีของปฏิกิริยาแล้ว แค่แทนค่าต่างๆ ลงไปในสูตร ∆H = m x s x ∆T แล้วคำนวณหาเอนทัลปีออกมา คำตอบที่ได้จะอยู่ในหน่วยพลังงานจูล (J)
- ในตัวอย่างที่ยกมาเมื่อหาเอนทัลปีของปฏิกิริยา ก็จะได้เป็น:
∆H = (36 กรัม) × (4.2 จูล/กรัม °C) × (-90 องศาเคลวิน ) = -13,608 จูล
- ในตัวอย่างที่ยกมาเมื่อหาเอนทัลปีของปฏิกิริยา ก็จะได้เป็น:
-
ดูว่าปฏิกิริยาได้รับหรือเสียพลังงาน. เหตุผลหลักที่เราคำนวณหา ∆H ของปฏิกิริยาต่างๆ คือเพื่อดูว่าปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาแบบคายความร้อน (สูญเสียพลังงานและปล่อยความร้อนออกมา) หรือปฏิกิริยาแบบดูดกลืนความร้อน (ได้รับพลังงานและดูดความร้อน) ถ้าเครื่องหมายคำตอบสุดท้ายของ ∆H เป็นบวก ปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาแบบดูดกลืนความร้อน ในทางตรงกันข้ามถ้าเครื่องหมายนั้นเป็นลบ ปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาแบบคายความร้อน ยิ่งตัวเลขมากเท่าไร ปฏิกิริยานั้นก็จะยิ่งคายความร้อนหรือดูดความร้อนมากขึ้นเท่านั้น ให้ระวังปฏิกิริยาแบบคายความร้อน เพราะปฏิกิริยาแบบนี้บางครั้งอาจเป็นสัญญาณบอกถึงการปล่อยพลังงานปริมาณมหาศาลซึ่งก่อให้เกิดการระเบิดได้ หากปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วพอ
- ในตัวอย่างของเราคำตอบสุดท้ายคือ -13,608 จูล เนื่องจากเครื่องหมายเป็นลบ ปฏิกิริยานี้จึงเป็น ปฏิกิริยาแบบคายความร้อน คำตอบที่ได้ก็สมเหตุสมผล เพราะ H 2 และ O 2 คือก๊าซ ส่วน H 2 O ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์คือของเหลว ก๊าซร้อน (ในรูปแบบของไอน้ำ) ต้องปล่อยพลังงานเข้าไปในสิ่งแวดล้อมในรูปแบบของความร้อนเพื่อจะได้เย็นลงไปสู่จุดที่สามารถเกิดน้ำซึ่งเป็นของเหลวได้ ฉะนั้นการเกิด H 2 O เป็นปฏิกิริยาแบบคายความร้อน
โฆษณา
-
ใช้พลังงานพันธะหาเอนทัลปี. ปฏิกิริยาเคมีเกือบทั้งหมดมีการสร้างหรือการสลายพันธะระหว่างอะตอม เนื่องจากในปฏิกิริยาเคมีพลังงานไม่อาจถูกสร้างหรือทำลายได้ ถ้าเรารู้ปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สร้างหรือสลายพันธะซึ่งถูกสร้างขึ้น (หรือสลาย) ในปฏิกิริยา เราจะสามารถนำพลังงานพันธะเหล่านี้มาบวกกันเพื่อประมาณค่าการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีของปฏิกิริยาทั้งปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำมาก
- ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาของเราคือ H 2
+ F 2
→ 2HF ในกรณีนี้ปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สลายอะตอม H ในโมเลกุล H 2
คือ 436 กิโลจูล/โมล ส่วนปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สลาย F 2
คือ 158 กิโลจูล/โมล สุดท้ายนี้ปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สร้าง HF จาก H และ F คือ -568 กิโลจูล/โมล เรานำปริมาณพลังงานมาคูณ 2 เพราะผลิตภัณฑ์ในสมการคือ 2
HFเมื่อนำมาคูณกัน ก็จะได้เป็น 2 × -568 = -1,136 กิโลจูล/โมล เมื่อนำมาบวกกันทั้งหมด ก็จะได้เป็น:
436 + 158 + -1,136 = -542 กิโลจูล/โมล
- ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาของเราคือ H 2
+ F 2
→ 2HF ในกรณีนี้ปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สลายอะตอม H ในโมเลกุล H 2
คือ 436 กิโลจูล/โมล ส่วนปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สลาย F 2
คือ 158 กิโลจูล/โมล สุดท้ายนี้ปริมาณพลังงานที่ต้องใช้สร้าง HF จาก H และ F คือ -568 กิโลจูล/โมล เรานำปริมาณพลังงานมาคูณ 2 เพราะผลิตภัณฑ์ในสมการคือ 2
HFเมื่อนำมาคูณกัน ก็จะได้เป็น 2 × -568 = -1,136 กิโลจูล/โมล เมื่อนำมาบวกกันทั้งหมด ก็จะได้เป็น:
-
ใช้เอนทัลปีของการเกิดหาเอนทัลปี. เอนทัลปีของการเกิดกำหนด ∆H ให้เป็นค่าการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีของปฏิกิริยาซึ่งใช้สร้างสารเคมีที่ให้มา ถ้าเรารู้เอนทัลปีของการเกิดที่ต้องใช้สร้างผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นในสมการ เราจะสามารถนำมาบวกกันเพื่อประมาณค่าเอนทัลปีได้ เหมือนกับที่เรานำพลังงานพันธะมาบวกกันอย่างที่ได้อธิบายไว้ในขั้นตอนก่อนหน้านี้
- ตัวอย่างเช่น เราจะหาเอนทัลปีของ C 2
H 5
OH + 3O 2
→ 2CO 2
+ 3H 2
O ในกรณีนี้เรารู้เอนทัลปีการเกิดของปฏิกิริยาดังนี้
C 2 H 5 OH → 2C + 3H 2 + 0.5O 2 = 228 กิโลจูล/โมล
2C + 2O 2 → 2CO 2 = -394 × 2 = -788 กิโลจูล/โมล
3H 2 + 1.5 O 2 → 3H 2 O = -286 × 3 = -858 กิโลจูล/โมล
เนื่องจากเราสามารถนำสมการเหล่านี้มารวมกันได้ เมื่อรวมกันแล้วก็จะได้เป็น C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เราจะหาเอนทัลปี เราแค่นำเอนทัลปีของการเกิดปฏิกิริยาข้างต้นมาบวกกันเพื่อหาเอนทัลปีของปฏิกิริยานี้ดังนี้:
228 + -788 + -858 = -1,418 กิโลจูล/โมล
- ตัวอย่างเช่น เราจะหาเอนทัลปีของ C 2
H 5
OH + 3O 2
→ 2CO 2
+ 3H 2
O ในกรณีนี้เรารู้เอนทัลปีการเกิดของปฏิกิริยาดังนี้
-
อย่าลืมเปลี่ยนเครื่องหมาย เมื่อกลับสมการ. เมื่อใช้เอนทัลปีของการเกิดคำนวณหาเอนทัลปีของปฏิกิริยา เราต้องกลับเครื่องหมายเอนทัลปีของการเกิด เมื่อไรก็ตามที่เรากลับสมการของปฏิกิริยาที่เป็นองค์ประกอบ กล่าวให้ชัดเจนคือ ถ้าเราต้องกลับสมการของปฏิกิริยาการเกิดหนึ่งสมการขึ้นไปเพื่อให้ผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นทั้งหมดหักล้างอย่างถูกต้องเหมาะสม กลับเครื่องหมายเอนทัลปีของปฏิกิริยาการเกิดที่เราได้กลับสมการไป
- ในตัวอย่างข้างต้นจะสังเกตเห็นว่าปฏิกิริยาการเกิดที่เราใช้ซึ่งก็คือ C 2 H 5 OH นั้นย้อนกลับ C 2 H 5 OH → 2C + 3H 2 + 0.5O 2 แสดงให้เห็นว่า C 2 H 5 OH สลายตัว ไม่ใช่สร้างขึ้น เพราะเรากลับสมการเพื่อให้ผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นทั้งหมดหักล้างอย่างถูกต้องเหมาะสม เรากลับเครื่องหมายของเอนทัลปีการเกิด ก็จะได้เป็น 228 กิโลจูล/โมล ในความเป็นจริงเอนทัลปีการเกิดของ C 2 H 5 OH คือ -228 กิโลจูล/โมล
โฆษณา
-
หาภาชนะที่สะอาดและเทน้ำใส่ลงในภาชนะนั้น. เราจะลงมือทำการทดลองแบบง่ายๆ เพื่อจะได้เห็นหลักการของเอนทัลปี ทำความสะอาดและฆ่าเชื้อโรคภาชนะที่จะใช้ในการทดลอง ปฏิกิริยาจะได้เกิดขึ้นโดยไม่มีการปนเปื้อนสิ่งแปลกปลอม นักวิทยาศาสตร์ใช้ภาชนะบรรจุแบบปิดที่เรียกว่าแคลอริมิเตอร์วัดเอนทัลปี แต่เราก็สามารถใช้กระปุกแก้วหรือขวดรูปชมพู่แทนได้เพราะผลการทดลองที่ได้ก็ออกมาสมเหตุสมผลเช่นกัน เมื่อหาภาชนะที่เหมาะสมได้แล้ว เทน้ำประปาอุณหภูมิห้องที่สะอาดลงในภาชนะ เราจะทำการทดลองในบริเวณที่ร่มและเย็น
- ในการทดลองนี้เราต้องการภาชนะที่เล็กพอสมควร เราจะทดสอบผลการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีของยาอัลคา-เซลท์เซอร์ในน้ำ ฉะนั้นยิ่งใช้น้ำน้อย ก็จะยิ่งเห็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ชัดเจน
-
นำเทอร์มอมิเตอร์มาจุ่มลงในภาชนะ. นำเทอร์มอมิเตอร์มาจุ่มลงในภาชนะ ให้ปลายที่ใช้วัดค่าอุณหภูมิอยู่ต่ำกว่าระดับน้ำ อ่านอุณหภูมิของน้ำที่วัดได้ จุดประสงค์ของการวัดอุณหภูมิน้ำคือ เราจะให้อุณหภูมิของน้ำเป็น T1 หรืออุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยา
- สมมติเราวัดอุณหภูมิของน้ำได้ 10 องศาเซลเซียส ในอีกสองสามขั้นตอนถัดไปเราจะใช้ตัวอย่างอุณหภูมิที่วัดได้นี้แสดงให้เห็นหลักการของเอนทัลปี
-
ใส่ยาอัลคา-เซลท์เซอร์หนึ่งเม็ดลงในภาชนะ. เมื่อพร้อมที่จะทำการทดลองแล้ว ใส่ยาอัลคา-เซลท์เซอร์หนึ่งเม็ดลงไปในน้ำ เราจะเห็นทันทีเลยว่าน้ำเริ่มเกิดฟองฟู่ ขณะที่ยาละลายในน้ำ ยาจะสลายตัวเป็นสารไบคาร์บอเนต (HCO 3 - ) และกรดซิตริค (ซึ่งทำปฏิกิริยาในรูปแบบไฮโดรเจนไอออนหรือ H + ) สารเคมีเหล่านี้ทำปฏิกิริยากันเพื่อทำให้เกิดน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปฏิกิริยา 3HCO 3 − + 3H + → 3H 2 O + 3CO 2
-
วัดอุณหภูมิเมื่อสารทำปฏิกิริยาเสร็จสิ้น. เฝ้าสังเกตขณะปฏิกิริยาดำเนินไป ยาอัลคา-เซลท์เซอร์จะค่อยๆ ละลาย พอยาทำปฏิกิริยาเสร็จ (หรือดูเหมือนทำปฏิกิริยาช้าลงมาก) วัดอุณหภูมิอีกครั้ง น้ำควรจะเย็นกว่าตอนก่อนทำปฏิกิริยาเล็กน้อย ถ้าน้ำอุ่นขึ้น แสดงว่าการทดลองนี้อาจได้รับผลกระทบจากอิทธิพลภายนอก (ตัวอย่างเช่น ห้องที่ใช้ทำการทดลองอุ่นมาก)
- กลับมาที่ตัวอย่างการทดลองของเรา หลังยาไม่ทำให้เกิดฟองฟู่แล้ว วัดอุณหภูมิของน้ำได้ 8 องศาเซลเซียส
-
ดูเอนทัลปีของปฏิกิริยาว่าเป็นแบบคายหรือดูดกลืนความร้อน. การทดลองควรจะเป็นไปดังนี้ เมื่อเราใส่ยาอัลคา-เซลท์เซอร์ลงไปในน้ำ ยาจะทำให้เกิดน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (เราจะสังเกตเห็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นฟองฟู่) และทำให้อุณหภูมิของน้ำลดลง จากข้อมูลนี้จะเห็นว่าปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาแบบดูดกลืนความร้อน เพราะดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อม สารตั้งต้นซึ่งเป็นของเหลวละลายอยู่ในน้ำต้องใช้พลังงานเพิ่มเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ ฉะนั้นจึงรับพลังงานในรูปแบบของความร้อนจากสิ่งแวดล้อม (ในกรณีนี้คือน้ำ) อุณหภูมิของน้ำก็เลยลดลง
- ในตัวอย่างการทดลองของเราอุณหภูมิของน้ำลดลงสององศาหลังจากใส่ยาอัลคา-เซลท์เซอร์ลงไป สอดคล้องกับปฏิกิริยาแบบดูดกลืนความร้อน
โฆษณา
เคล็ดลับ
- การคำนวณหาเอนทัลปีของปฏิกิริยาเคมีจะใช้หน่วยเคลวิน(K) ซึ่งเป็นหน่วยวัดอุณหภูมิเหมือนหน่วยองศาเซลเซียส ถ้าต้องการแปลงหน่วยองศาเซลเซียสให้เป็นหน่วยเคลวิน แค่นำไปบวกกับ 273 ถ้าต้องการแปลงหน่วยเคลวินให้เป็นหน่วยองศาเซลเซียส นำ 273 มาลบออก แต่ในการคำนวณนี้เราจะใช้ K = °C + 273
โฆษณา
ข้อมูลอ้างอิง
โฆษณา
