এনথালপি ও ক্যালরিমিতি: বিক্রিয়ার তাপ পরিমাপ

সিস্টেম ও পারিপার্শ্বিকের মধ্যে সীমারেখা টানা

প্রতিটি শক্তির হিসাব শুরু হয় একটি সিস্টেম বেছে নিয়ে, সাধারণত বিক্রিয়ারত রাসায়নিক। বাকি সবকিছু পারিপার্শ্বিক, যা ক্যালরিমিটারে মূলত পানি বা দ্রবণ এবং পাত্র। শক্তি তাপ q হিসেবে বা কাজ w হিসেবে সীমানা পার হতে পারে, এবং সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তন ΔU = q + w।

এনথালপি, H = U + PV, এমনভাবে সংজ্ঞায়িত যাতে এর পরিবর্তন স্থির চাপে বিনিময় হওয়া তাপের সমান হয় যখন একমাত্র কাজ প্রসারণ কাজ: ΔH = q_p। বেশিরভাগ বেঞ্চ-রসায়ন মোটামুটি স্থির বায়ুমণ্ডলীয় চাপে ঘটে বলে রসায়নবিদরা অভ্যন্তরীণ শক্তির বদলে এনথালপি সারণিবদ্ধ করেন।

তাপ ও এনথালপির চিহ্নের রীতি

চিহ্ন সবসময় সিস্টেমের দৃষ্টিকোণ থেকে লেখা হয়। সিস্টেমে প্রবাহিত তাপ ধনাত্মক; বেরিয়ে যাওয়া তাপ ঋণাত্মক। তাপমোচী বিক্রিয়া পারিপার্শ্বিকে তাপ ছাড়ে, তাই এর ΔH ঋণাত্মক এবং পারিপার্শ্বিক গরম হয়। তাপহারী বিক্রিয়া তাপ শোষণ করে, তাই এর ΔH ধনাত্মক এবং পারিপার্শ্বিক ঠান্ডা হয়।

ক্যালরিমিটারে আপনি বিক্রিয়া নয়, পারিপার্শ্বিক মাপেন। পানি গরম হলে পানি তাপ পেয়েছে, এবং বিক্রিয়া ঠিক ততটাই হারিয়েছে। এটি ক্যালরিমিতির কেন্দ্রীয় সম্পর্ক দেয়: q_reaction = −q_surroundings।

তাপধারণ ক্ষমতা ও সমীকরণ q = mcΔT

কোনো পদার্থের তাপমাত্রা বদলাতে প্রয়োজনীয় তাপ q = mcΔT, যেখানে m ভর, c আপেক্ষিক তাপ (এক গ্রামকে এক ডিগ্রি গরম করতে প্রয়োজনীয় তাপ), এবং ΔT = T_final − T_initial। এক ডিগ্রি সেলসিয়াস পরিবর্তন এক কেলভিন পরিবর্তনের সমান, তাই ΔT-র মান দুই স্কেলেই একই। নিচে ব্যবহৃত আপেক্ষিক তাপ OpenStax Chemistry 2e সারণি 5.1 থেকে, প্রায় 25 °C-এ মাপা; তরল পানির জন্য c = 4.184 J/(g·°C)।

সমাধান করা উদাহরণ 1। 310.0 g সিলিকন ব্লকের তাপমাত্রা 24.5 °C থেকে 160.0 °C-এ তুলতে কত তাপ লাগে? সিলিকনের আপেক্ষিক তাপ 0.712 J/(g·°C)। ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C। q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, বা 29.9 kJ। আপেক্ষিক তাপে তিনটি সার্থক অঙ্ক আছে, তাই উত্তরেও তিনটি।

সমাধান করা উদাহরণ 2। 88.0 °C-এ থাকা 450.0 g লেডের ব্লক একটি ফোম কাপে 20.5 °C-এর 60.0 g পানিতে রাখা হলো। লেডের আপেক্ষিক তাপ 0.130 J/(g·°C), আর পানির মান উপরে দেওয়া। লেডের হারানো তাপ পানির পাওয়া তাপের সমান, তাই q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, যেখানে প্রতিটি সহগ ভর গুণ আপেক্ষিক তাপ। সমাধান করে, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C। যাচাই: পানি পায় প্রায় 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, এবং লেড হারায় প্রায় 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ। পানির তাপমাত্রা লেডের চেয়ে অনেক কম বদলায় কারণ এর তাপধারণ ক্ষমতা চার গুণেরও বেশি।

স্থির চাপে কফি-কাপ ক্যালরিমিতি

কফি-কাপ ক্যালরিমিটার হলো বাতাসে খোলা একটি তাপরোধী কাপ, তাই প্রক্রিয়াটি স্থির চাপে ঘটে এবং মাপা তাপ সরাসরি ΔH দেয়। লঘু জলীয় দ্রবণের জন্য প্রচলিত ধারণা হলো দ্রবণের ঘনত্ব ও আপেক্ষিক তাপ পানির সমান এবং কাপ নগণ্য তাপ শোষণ করে।

সমাধান করা উদাহরণ 3। 21.42 °C-এ 60.0 mL 0.800 mol/L নাইট্রিক অ্যাসিড একই তাপমাত্রার 60.0 mL 0.800 mol/L পটাসিয়াম হাইড্রক্সাইডের সঙ্গে মেশানো হলো। মিশ্রণ 26.75 °C-এ পৌঁছায়। গঠিত প্রতি মোল পানির জন্য ΔH বের করুন। দ্রবণের ভর: 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। তাই q_reaction = −2.68 × 10³ J।

গঠিত পানির মোল: প্রতিটি দ্রবণ জোগায় 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, এবং বিক্রিয়া H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1, তাই 0.0480 mol পানি গঠিত হয়। ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol। যাচাই হিসেবে, রীতি অনুযায়ী H⁺(aq)-এর ΔH°f শূন্য ধরে, OpenStax পরিশিষ্ট G-র আদর্শ গঠন এনথালপি একই নিট বিক্রিয়ার জন্য দেয় −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol।

বোমা ক্যালরিমিতি এবং ΔU ও ΔH-এর ব্যবধান

দহন মাপা হয় বোমা ক্যালরিমিটারে, যা পানির স্নানে বসানো একটি সিল করা ইস্পাতের পাত্র। আয়তন স্থির বলে কোনো প্রসারণ কাজ হয় না এবং মাপা তাপ ΔU, ΔH নয়। পুরো যন্ত্রটি একটি ইউনিট হিসেবে ক্যালিব্রেট করা হয়, যা kJ/°C এককে একটি ক্যালরিমিটার ধ্রুবক C_cal দেয়, তাই q = C_cal × ΔT, আলাদা ভর বা আপেক্ষিক তাপ ছাড়াই।

সমাধান করা উদাহরণ 4। C_cal = 10.25 kJ/°C-এর ক্যালরিমিটারে 0.5000 g তরল বেনজিন, C₆H₆, পোড়ালে তাপমাত্রা 2.038 °C বাড়ে। দুই দশমিক স্থানে রাউন্ড করা IUPAC আদর্শ পারমাণবিক ভর (C 12.01, H 1.01) নিয়ে M = 78.12 g/mol, তাই n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol। q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, তাই ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, চারটি সার্থক অঙ্কে কারণ প্রতিটি মাপা মানে চারটি আছে।

এনথালপিতে রূপান্তর করতে ΔH = ΔU + Δn_gas RT ব্যবহার করুন। C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l)-এ গ্যাসের মোল 7.5 থেকে 6-এ নামে, তাই Δn_gas = −1.5 এবং সংশোধন (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol। ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, যা পরিশিষ্ট G-র গঠন এনথালপি থেকে পাওয়া −3267.7 kJ/mol-এর সঙ্গে সংগত। কোনো বিক্রিয়া অনেক মোল গ্যাস তৈরি বা খরচ করলে সংশোধন বড় হয়।

তাপরাসায়নিক সমীকরণ পড়া ও স্কেল করা

একটি তাপরাসায়নিক সমীকরণ ΔH-কে ঠিক যেমন লেখা তেমন বিক্রিয়ার সঙ্গে যুক্ত করে। সহগ দ্বিগুণ করলে ΔH দ্বিগুণ হয়; বিক্রিয়া উল্টালে চিহ্ন উল্টে যায়। ভৌত অবস্থা গুরুত্বপূর্ণ: তরল পানি গঠন জলীয় বাষ্প গঠনের চেয়ে বেশি তাপ ছাড়ে, কারণ ঘনীভবন নিজেই তাপমোচী।

নির্দিষ্ট পরিমাণ পদার্থের তাপ বের করতে মোলে রূপান্তর করুন এবং প্রতি মোল বিক্রিয়ার ΔH রূপান্তর গুণক হিসেবে ব্যবহার করুন। প্রতি মোল বেনজিনে ΔH = −3267.7 kJ ধরে 12.5 g বেনজিন পোড়ালে নির্গত হয় (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ। এটি বিক্রিয়ার জন্য q = −523 kJ হিসেবে, অথবা 523 kJ তাপ নির্গত হিসেবে লিখুন।

যে ক্যালরিমিতির ভুল চিহ্ন উল্টে দেয় বা তাপ হারায়

ক্যালরিমিতির গাণিতিক হিসাব ছোট, তাই বেশিরভাগ ভুল ধারণাগত।

একটি নির্ভরযোগ্য চূড়ান্ত যাচাই ভৌত: পানি গরম হলে বিক্রিয়ার ΔH ঋণাত্মক হতেই হবে।

• ঋণাত্মক চিহ্ন বাদ পড়া: পারিপার্শ্বিকের তাপমাত্রা বেড়েছে, তাই q_reaction ঋণাত্মক। পানিকে গরম করেছে এমন প্রশমনের জন্য +55.8 kJ/mol লেখা চিহ্নের ভুল।
• ভুল ভর: দ্রবণ ক্যালরিমিতিতে পুরো দ্রবণের ভর ব্যবহার করুন, কেবল দ্রব বা মেশানো দুটি আয়তনের একটির নয়।
• প্রতি গ্রাম বনাম প্রতি মোল: kJ/mol পেতে নির্দিষ্ট প্রজাতির মোল দিয়ে ভাগ করুন এবং কোন প্রজাতি তা বলুন।
• জুল ও কিলোজুল গুলিয়ে ফেলা: mcΔT থেকে পাওয়া q জুলে; kJ/mol উত্তরে ভাগ করার আগে রূপান্তর করুন।
• বোমা উপাত্তকে ΔH ধরা: সিল করা বোমা ΔU দেয়; ΔH দরকার হলে Δn_gas RT সংশোধন প্রয়োগ করুন।