ኢንታልፒና ካሎሪሜትሪ፦ የምላሽ ሙቀትን መለካት

በሲስተምና በአካባቢ መካከል ያለውን ወሰን መሳል

እያንዳንዱ የኃይል ስሌት የሚጀምረው ሲስተም በመምረጥ ነው፣ ብዙውን ጊዜ ምላሽ የሚሰጡ ኬሚካሎች። የተቀረው ሁሉ አካባቢው ነው፤ በካሎሪሜትር ውስጥ ይህ በዋናነት ውሃውን ወይም መፍትሔውንና እቃውን ማለት ነው። ኃይል ወሰኑን እንደ ሙቀት q ወይም እንደ ሥራ w ሊያቋርጥ ይችላል፤ የሲስተሙ ውስጣዊ ኃይል ለውጥ ΔU = q + w ነው።

ኢንታልፒ H = U + PV ሲሆን፣ ብቸኛው ሥራ የመስፋፋት ሥራ ሲሆን ለውጡ በቋሚ ግፊት ከተለዋወጠው ሙቀት ጋር እኩል እንዲሆን ይተረጎማል፦ ΔH = q_p። አብዛኛው የላቦራቶሪ ኬሚስትሪ በግምት በቋሚ የከባቢ አየር ግፊት ስለሚከሰት ኬሚስቶች ከውስጣዊ ኃይል ይልቅ ኢንታልፒን ይሰንጥራሉ።

ለሙቀትና ለኢንታልፒ የምልክት ልማዶች

ምልክቶች ሁልጊዜ ከሲስተሙ አመለካከት ይጻፋሉ። ወደ ሲስተሙ የሚፈስ ሙቀት አዎንታዊ ነው፤ ወደ ውጭ የሚፈስ አሉታዊ ነው። ሙቀት ሰጪ ምላሽ ሙቀትን ወደ አካባቢው ይለቃል፤ ስለዚህ ΔHው አሉታዊ ነው፤ አካባቢውም ይሞቃል። ሙቀት ተቀባይ ምላሽ ሙቀትን ይወስዳል፤ ስለዚህ ΔHው አዎንታዊ ነው፤ አካባቢውም ይቀዘቅዛል።

በካሎሪሜትር ውስጥ የሚለኩት አካባቢውን እንጂ ምላሹን አይደለም። ውሃው ከሞቀ ውሃው ሙቀት አግኝቷል፤ ምላሹም ልክ ያንኑ ያህል አጥቷል። ይህ የካሎሪሜትሪን ማዕከላዊ ግንኙነት ይሰጣል፦ q_reaction = −q_surroundings።

የሙቀት አቅምና እኩልታው q = mcΔT

የአንድ ንጥረ ነገር ሙቀት ለመለወጥ የሚያስፈልገው ሙቀት q = mcΔT ነው፤ m ክብደት፣ c ልዩ ሙቀት (አንድ ግራም በአንድ ዲግሪ ለማሞቅ የሚያስፈልግ ሙቀት)፣ ΔT = T_final − T_initial ናቸው። የአንድ ዲግሪ ሴልሺየስ ለውጥ ከአንድ ኬልቪን ለውጥ ጋር እኩል ነው፤ ስለዚህ ΔT በሁለቱም መለኪያ ተመሳሳይ እሴት አለው። ከታች ጥቅም ላይ የዋሉት ልዩ ሙቀቶች ከOpenStax Chemistry 2e ሠንጠረዥ 5.1 የመጡ ናቸው፤ ወደ 25 °C የተለኩ፤ ለፈሳሽ ውሃ c = 4.184 J/(g·°C)።

የተሠራ ምሳሌ 1። 310.0 g የሲሊከን ብሎክን ከ24.5 °C ወደ 160.0 °C ለማሳደግ ምን ያህል ሙቀት ያስፈልጋል? የሲሊከን ልዩ ሙቀት 0.712 J/(g·°C) ነው። ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C። q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J፣ ወይም 29.9 kJ። ልዩ ሙቀቱ ሦስት ጉልህ አሃዞች አሉት፤ ስለዚህ መልሱም እንዲሁ።

የተሠራ ምሳሌ 2። በ88.0 °C ያለ 450.0 g የእርሳስ ብሎክ በ20.5 °C ባለ 60.0 g ውሃ ውስጥ በአረፋ ስኒ ውስጥ ይገባል። የእርሳስ ልዩ ሙቀት 0.130 J/(g·°C) ነው፤ የውሃው ደግሞ ከላይ የተሰጠው እሴት። እርሳሱ የጠፋው ሙቀት ውሃው ካገኘው ጋር እኩል ነው፤ ስለዚህ q_lead + q_water = 0፦ (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0፤ እያንዳንዱ ብዜት ክብደት ጊዜ ልዩ ሙቀት ነው። ሲፈታ T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C። ፍተሻ፦ ውሃው ወደ 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ ያገኛል፤ እርሳሱ ደግሞ ወደ 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ ያጣል። የውሃው ሙቀት ከእርሳሱ እጅግ ያነሰ ይንቀሳቀሳል፤ ምክንያቱም የሙቀት አቅሙ ከአራት እጥፍ በላይ ይበልጣል።

በቋሚ ግፊት የቡና-ስኒ ካሎሪሜትሪ

የቡና-ስኒ ካሎሪሜትር ለአየር ክፍት የሆነ የተከለለ ስኒ ነው፤ ስለዚህ ሂደቱ በቋሚ ግፊት ይከሰታል፤ የተለካው ሙቀትም ΔHን በቀጥታ ይሰጣል። ለቀጠኑ የውሃ ውስጥ መፍትሔዎች የተለመዱ ግምቶች መፍትሔው የውሃ ጥግግትና ልዩ ሙቀት እንዳለው እና ስኒው እምብዛም ሙቀት እንደማይወስድ ነው።

የተሠራ ምሳሌ 3። በ21.42 °C ያለ 60.0 mL 0.800 mol/L ናይትሪክ አሲድ በተመሳሳይ ሙቀት ከ60.0 mL 0.800 mol/L ፖታሲየም ሃይድሮክሳይድ ጋር ይቀላቀላል። ድብልቁ 26.75 °C ይደርሳል። በእያንዳንዱ ሞል የተፈጠረ ውሃ ΔHን ያግኙ። የመፍትሔ ክብደት፦ 120.0 mL × 1.00 g/mL = 120. g። ΔT = 26.75 − 21.42 = 5.33 °C። q_solution = (120. g)(4.184 J/(g·°C))(5.33 °C) = 2.68 × 10³ J። ስለዚህ q_reaction = −2.68 × 10³ J።

የተፈጠሩ የውሃ ሞሎች፦ እያንዳንዱ መፍትሔ 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol ያቀርባል፤ ምላሹ H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1 ነው፤ ስለዚህ 0.0480 mol ውሃ ይፈጠራል። ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol። እንደ ፍተሻ ከOpenStax አባሪ G የምስረታ መደበኛ ኢንታልፒዎች ለተመሳሳይ የተጣራ ምላሽ −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol ይሰጣሉ፤ የH⁺(aq) ΔH°f በልማድ ዜሮ ነው ብሎ በመውሰድ።

የቦምብ ካሎሪሜትሪና በΔU እና በΔH መካከል ያለው ልዩነት

ቃጠሎ በቦምብ ካሎሪሜትር ይለካል፤ ይህም በውሃ መታጠቢያ ውስጥ ያለ የታሸገ የብረት እቃ ነው። መጠኑ ቋሚ ስለሆነ የመስፋፋት ሥራ አይሠራም፤ የተለካው ሙቀት ΔU ነው እንጂ ΔH አይደለም። ሙሉው መሣሪያ እንደ አንድ አሃድ ይለካል፤ ይህም በkJ/°C የካሎሪሜትር ቋሚ C_cal ይሰጣል፤ ስለዚህ q = C_cal × ΔT ያለ የተለየ ክብደት ወይም ልዩ ሙቀት።

የተሠራ ምሳሌ 4። 0.5000 g ፈሳሽ ቤንዜን C₆H₆ በC_cal = 10.25 kJ/°C ካሎሪሜትር ውስጥ ማቃጠል ሙቀቱን በ2.038 °C ያሳድጋል። ወደ ሁለት አስርዮሽ የተጠጋጉ የIUPAC መደበኛ የአቶም ክብደቶችን (C 12.01፣ H 1.01) ሲጠቀሙ M = 78.12 g/mol ነው፤ ስለዚህ n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol። q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ፤ ስለዚህ ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol፣ እያንዳንዱ የተለካ እሴት አራት ስላለው በአራት ጉልህ አሃዞች።

ወደ ኢንታልፒ ለመቀየር ΔH = ΔU + Δn_gas RT ይጠቀሙ። በC₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) ውስጥ የጋዝ ሞሎች ከ7.5 ወደ 6 ይወድቃሉ፤ ስለዚህ Δn_gas = −1.5 ሲሆን ማስተካከያው (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol ነው። ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol፣ ከአባሪ G የምስረታ ኢንታልፒዎች ከተገኘው −3267.7 kJ/mol ጋር ይስማማል። ምላሽ ብዙ የጋዝ ሞሎችን ሲፈጥር ወይም ሲበላ ማስተካከያው ያድጋል።

የሙቀት ኬሚካዊ እኩልታዎችን ማንበብና ማስፋት

የሙቀት ኬሚካዊ እኩልታ ΔHን ልክ እንደተጻፈው ከምላሹ ጋር ያያይዛል። ብዜት ቁጥሮችን በእጥፍ ያድርጉ፤ ΔH በእጥፍ ይሆናል፤ ምላሹን ይገልብጡ፤ ምልክቱ ይገለበጣል። አካላዊ ሁኔታዎች አስፈላጊ ናቸው፦ ፈሳሽ ውሃ መፍጠር ከውሃ እንፋሎት መፍጠር የበለጠ ሙቀት ይለቃል፤ ምክንያቱም መጠራቀሙ ራሱ ሙቀት ሰጪ ነው።

ለተሰጠ የንጥረ ነገር መጠን ሙቀቱን ለማግኘት ወደ ሞል ይለውጡና ΔH በሞል ምላሽ እንደ መቀየሪያ ብዜት ይጠቀሙ። 12.5 g ቤንዜን ማቃጠል፣ ΔH = −3267.7 kJ በሞል ቤንዜን ሲሆን፣ (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ ይለቃል። ለምላሹ q = −523 kJ ብለው ይጻፉት፣ ወይም 523 kJ የተለቀቀ ሙቀት።

ምልክቶችን የሚገለብጡ ወይም ሙቀትን የሚያጡ የካሎሪሜትሪ ስህተቶች

የካሎሪሜትሪ ሂሳብ አጭር ነው፤ ስለዚህ አብዛኞቹ ስህተቶች ጽንሰ ሃሳባዊ ናቸው።

አስተማማኝ የመጨረሻ ፍተሻ አካላዊ ነው፦ ውሃው ከሞቀ ምላሹ አሉታዊ ΔH ሊኖረው ይገባል።

• የጎደለ የመቀነስ ምልክት፦ የአካባቢው ሙቀት ጨምሯል፤ ስለዚህ q_reaction አሉታዊ ነው። ውሃውን ላሞቀ ገለልተኛ የማድረግ ምላሽ +55.8 kJ/mol ማሳወቅ የምልክት ስህተት ነው።
• የተሳሳተ ክብደት፦ በመፍትሔ ካሎሪሜትሪ የሟሙን ክብደት ወይም ከተቀላቀሉት ሁለት መጠኖች አንዱን ሳይሆን የሙሉውን መፍትሔ ክብደት ይጠቀሙ።
• በግራም ከሞል ጋር፦ kJ/mol ለማግኘት በተጠቀሰው ንጥረ ነገር ሞሎች ያካፍሉ፤ የትኛው ንጥረ ነገር እንደሆነም ይናገሩ።
• ጁልና ኪሎጁል ማደባለቅ፦ ከmcΔT የሚመጣው q በጁል ነው፤ ወደ kJ/mol መልስ ከማካፈልዎ በፊት ይለውጡት።
• የቦምብ መረጃን እንደ ΔH መውሰድ፦ የታሸገ ቦምብ ΔU ይሰጣል፤ ΔH ሲፈለግ የΔn_gas RT ማስተካከያውን ይተግብሩ።