Entalpiya və kalorimetriya: reaksiyanın istiliyinin ölçülməsi

Sistem ilə ətraf mühit arasında sərhədin çəkilməsi

Hər enerji hesablaması sistemin, adətən reaksiyaya girən kimyəvi maddələrin, seçilməsi ilə başlayır. Qalan hər şey ətraf mühitdir ki, bu da kalorimetrdə əsasən su və ya məhlul və qabdır. Enerji sərhədi istilik, q, və ya iş, w, şəklində keçə bilər və sistemin daxili enerjisinin dəyişməsi ΔU = q + w-dir.

Entalpiya, H = U + PV, elə təyin olunub ki, yeganə iş genişlənmə işi olduqda onun dəyişməsi sabit təzyiqdə mübadilə olunan istiliyə bərabərdir: ΔH = q_p. Laboratoriya kimyasının çoxu təxminən sabit atmosfer təzyiqində baş verdiyinə görə kimyaçılar daxili enerji deyil, entalpiyanı cədvəlləşdirir.

İstilik və entalpiya üçün işarə qaydaları

İşarələr həmişə sistemin nöqteyi-nəzərindən yazılır. Sistemə axan istilik müsbət, sistemdən çıxan isə mənfidir. Ekzotermik reaksiya ətraf mühitə istilik ayırır, buna görə onun ΔH-ı mənfidir və ətraf mühit qızır. Endotermik reaksiya istilik udur, buna görə onun ΔH-ı müsbətdir və ətraf mühit soyuyur.

Kalorimetrdə reaksiyanı deyil, ətraf mühiti ölçürsünüz. Su qızırsa, su istilik qazanıb və reaksiya dəqiq o qədər itirib. Bu, kalorimetriyanın mərkəzi münasibətini verir: q_reaction = −q_surroundings.

İstilik tutumu və q = mcΔT tənliyi

Maddənin temperaturunu dəyişmək üçün lazım olan istilik q = mcΔT-dir, burada m kütlə, c xüsusi istilik (bir qramı bir dərəcə qızdırmaq üçün lazım olan istilik), ΔT = T_final − T_initial-dır. Bir Selsi dərəcəsi dəyişməsi bir kelvin dəyişməsinə bərabərdir, buna görə ΔT hər iki şkalada eyni qiymətə malikdir. Aşağıda istifadə olunan xüsusi istiliklər 25 °C yaxınlığında ölçülmüş OpenStax Chemistry 2e Cədvəl 5.1-dən götürülüb; maye su üçün c = 4.184 J/(g·°C).

Həll olunmuş nümunə 1. 310.0 g silisium blokunu 24.5 °C-dən 160.0 °C-yə qızdırmaq üçün nə qədər istilik lazımdır? Silisiumun xüsusi istiliyi 0.712 J/(g·°C)-dir. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, yəni 29.9 kJ. Xüsusi istiliyin üç əhəmiyyətli rəqəmi var, buna görə cavabın da var.

Həll olunmuş nümunə 2. 88.0 °C-də 450.0 g qurğuşun bloku köpük fincanda 20.5 °C-də 60.0 g suya qoyulur. Qurğuşunun xüsusi istiliyi 0.130 J/(g·°C)-dir, suyunku isə yuxarıda verilən qiymətdir. Qurğuşunun itirdiyi istilik suyun qazandığı istiliyə bərabərdir, buna görə q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, burada hər əmsal kütlə ilə xüsusi istiliyin hasilidir. Həll edərək T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Yoxlama: su təxminən 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ qazanır, qurğuşun isə təxminən 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ itirir. Suyun temperaturu qurğuşunkundan xeyli az dəyişir, çünki onun istilik tutumu dörd dəfədən çox böyükdür.

Sabit təzyiqdə qəhvə fincanı kalorimetriyası

Qəhvə fincanı kalorimetri havaya açıq izolyasiya olunmuş fincandır, buna görə proses sabit təzyiqdə baş verir və ölçülmüş istilik birbaşa ΔH-ı verir. Durulaşdırılmış sulu məhlullar üçün adi fərziyyələr məhlulun suyun sıxlığına və xüsusi istiliyinə malik olması və fincanın cüzi istilik udmasıdır.

Həll olunmuş nümunə 3. 21.42 °C-də 0.800 mol/L nitrat turşusunun 60.0 mL-i eyni temperaturda 0.800 mol/L kalium hidroksidin 60.0 mL-i ilə qarışdırılır. Qarışıq 26.75 °C-yə çatır. Əmələ gələn suyun hər molu üçün ΔH-ı tapın. Məhlulun kütləsi: 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. Beləliklə, q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Əmələ gələn suyun mol miqdarı: hər məhlul 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol verir və H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) reaksiyası 1:1-dir, buna görə 0.0480 mol su əmələ gəlir. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Yoxlama olaraq, OpenStax Əlavə G-dən əmələgəlmə standart entalpiyaları, H⁺(aq)-in ΔH°f qiymətini qaydaya əsasən sıfır götürərək, eyni xalis reaksiya üçün −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol verir.

Bomba kalorimetriyası və ΔU ilə ΔH arasındakı fərq

Yanma su hamamındakı möhürlənmiş polad qab olan bomba kalorimetrində ölçülür. Həcm sabit olduğundan genişlənmə işi görülmür və ölçülmüş istilik ΔH deyil, ΔU-dur. Bütün qurğu vahid kimi kalibrlənir və kJ/°C ilə C_cal kalorimetr sabitini verir, buna görə q = C_cal × ΔT, ayrıca kütlə və ya xüsusi istilik olmadan.

Həll olunmuş nümunə 4. C_cal = 10.25 kJ/°C olan kalorimetrdə maye benzolun, C₆H₆, 0.5000 g-ını yandırmaq temperaturu 2.038 °C artırır. İKYTB-nin (IUPAC) iki onluğa yuvarlaqlaşdırılmış standart atom kütlələri (C 12.01, H 1.01) ilə M = 78.12 g/mol, buna görə n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, buna görə ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, dörd əhəmiyyətli rəqəmlə, çünki hər ölçülmüş qiymətin dörd rəqəmi var.

Entalpiyaya çevirmək üçün ΔH = ΔU + Δn_gas RT-dən istifadə edin. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) reaksiyasında qazın mol miqdarı 7.5-dən 6-ya düşür, buna görə Δn_gas = −1.5 və düzəliş (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol-dur. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, bu da Əlavə G əmələgəlmə entalpiyalarından alınan −3267.7 kJ/mol ilə uyğundur. Reaksiya çoxlu mol qaz əmələ gətirdikdə və ya sərf etdikdə düzəliş artır.

Termokimyəvi tənliklərin oxunması və miqyaslanması

Termokimyəvi tənlik ΔH-ı reaksiyaya dəqiq yazıldığı kimi bağlayır. Əmsalları ikiqat artırsanız, ΔH ikiqat artır; reaksiyanı tərsinə çevirsəniz, işarə dəyişir. Fiziki hallar əhəmiyyətlidir: maye su əmələ gətirmək su buxarı əmələ gətirməkdən çox istilik ayırır, çünki kondensasiya özü ekzotermikdir.

Verilmiş maddə miqdarı üçün istiliyi tapmaq üçün mola çevirin və reaksiyanın molu başına ΔH-dan çevirmə vuruğu kimi istifadə edin. ΔH = hər mol benzol üçün −3267.7 kJ olan 12.5 g benzolun yanması (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ ayırır. Bunu reaksiya üçün q = −523 kJ və ya 523 kJ ayrılan istilik kimi yazın.

İşarələri çevirən və ya istiliyi itirən kalorimetriya səhvləri

Kalorimetriya hesabı qısadır, buna görə səhvlərin çoxu anlayış səhvləridir.

Etibarlı son yoxlama fizikidir: su qızıbsa, reaksiyanın ΔH-ı mənfi olmalıdır.

• Çatışmayan mənfi işarə: ətraf mühitin temperaturu artıb, buna görə q_reaction mənfidir. Suyu qızdıran neytrallaşma üçün +55.8 kJ/mol göstərmək işarə səhvidir.
• Yanlış kütlə: məhlul kalorimetriyasında yalnız həll olunan maddənin və ya qarışdırılmış iki həcmdən birinin deyil, bütün məhlulun kütləsindən istifadə edin.
• Qrama düşən ilə mola düşən: kJ/mol almaq üçün göstərilən növün mollarına bölün və hansı növ olduğunu bildirin.
• J ilə kJ-u qarışdırmaq: mcΔT-dən alınan q J ilə verilir; kJ/mol cavabına bölməzdən əvvəl çevirin.
• Bomba məlumatına ΔH kimi yanaşmaq: möhürlənmiş bomba ΔU verir; ΔH tələb olunduqda Δn_gas RT düzəlişini tətbiq edin.