Enthalpy ug Calorimetry: Pagsukod sa Kainit sa Reaksyon

Pagdrowing sa utlanan tali sa system ug surroundings

Ang matag kalkulasyon sa enerhiya magsugod sa pagpili og system, kasagarang ang nagreaksyon nga mga kemikal. Ang tanang uban mao ang surroundings, nga sa calorimeter kasagaran nagpasabot sa tubig o solusyon ug sa sudlanan. Ang enerhiya mahimong motabok sa utlanan isip kainit, q, o isip trabaho, w, ug ang kausaban sa internal energy sa system ΔU = q + w.

Ang enthalpy, H = U + PV, gipasabot aron ang kausaban niini katumbas sa kainit nga gibayloay sa kanunay nga pressure kung ang bugtong trabaho expansion work: ΔH = q_p. Tungod kay kadaghanan sa chemistry sa lamesa mahitabo sa halos kanunay nga atmospheric pressure, ang mga chemist nagtabulate sa enthalpy imbes sa internal energy.

Mga kombensiyon sa timaan alang sa kainit ug enthalpy

Ang mga timaan kanunay gisulat gikan sa pagtan-aw sa system. Ang kainit nga nagdagayday paingon sa system positibo; ang kainit nga nagdagayday paggawas negatibo. Ang exothermic nga reaksyon nagpagawas og kainit ngadto sa surroundings, busa ang ΔH niini negatibo ug ang surroundings mainit. Ang endothermic nga reaksyon nagsuyop og kainit, busa ang ΔH niini positibo ug ang surroundings mabugnaw.

Sa calorimeter imong gisukod ang surroundings, dili ang reaksyon. Kung ang tubig nainit, ang tubig nakakuha og kainit, ug ang reaksyon nawad-an og eksakto niana. Kini naghatag sa sentral nga relasyon sa calorimetry: q_reaction = −q_surroundings.

Heat capacity ug ang equation nga q = mcΔT

Ang kainit nga gikinahanglan aron usbon ang temperatura sa substansiya q = mcΔT, diin ang m masa, ang c specific heat (ang kainit nga gikinahanglan sa pagpainit sa usa ka gramo og usa ka degree), ug ΔT = T_final − T_initial. Ang kausaban nga usa ka degree Celsius katumbas sa kausaban nga usa ka kelvin, busa ang ΔT adunay parehas nga bili sa bisan unsang eskala. Ang mga specific heat nga gigamit sa ubos gikan sa OpenStax Chemistry 2e Table 5.1, gisukod duol sa 25 °C; alang sa likido nga tubig, c = 4.184 J/(g·°C).

Nasulbad nga ehemplo 1. Unsa ka daghang kainit ang motaas sa 310.0 g nga bloke sa silicon gikan sa 24.5 °C ngadto sa 160.0 °C? Ang specific heat sa silicon 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, o 29.9 kJ. Ang specific heat adunay tulo ka mahinungdanong digit, busa ang tubag usab.

Nasulbad nga ehemplo 2. Ang 450.0 g nga bloke sa lead sa 88.0 °C gibutang sa 60.0 g nga tubig sa 20.5 °C sa foam nga tasa. Ang specific heat sa lead 0.130 J/(g·°C), ug ang sa tubig mao ang bili nga gihatag sa ibabaw. Ang kainit nga nawala sa lead katumbas sa kainit nga nakuha sa tubig, busa q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, diin ang matag coefficient masa nga gipadaghan sa specific heat. Sa pagsulbad, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Pagsusi: ang tubig nakakuha og mga 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, ug ang lead nawad-an og mga 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. Ang temperatura sa tubig molihok nga mas gamay kaysa sa lead tungod kay ang heat capacity niini labaw sa upat ka pilo nga mas dako.

Coffee-cup calorimetry sa kanunay nga pressure

Ang coffee-cup calorimeter usa ka insulated nga tasa nga bukas sa hangin, busa ang proseso mahitabo sa kanunay nga pressure ug ang gisukod nga kainit naghatag sa ΔH diretso. Alang sa dilute nga aqueous nga mga solusyon, ang naandan nga mga pangagpas mao nga ang solusyon adunay density ug specific heat sa tubig ug nga ang tasa nagsuyop og dili-hinungdanon nga kainit.

Nasulbad nga ehemplo 3. Ang 60.0 mL sa 0.800 mol/L nga nitric acid sa 21.42 °C gisagol sa 60.0 mL sa 0.800 mol/L nga potassium hydroxide sa parehas nga temperatura. Ang sagol moabot sa 26.75 °C. Pangitaa ang ΔH matag mole sa tubig nga maporma. Masa sa solusyon: 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. Busa q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Mga mole sa tubig nga maporma: ang matag solusyon naghatag og 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, ug ang reaksyon nga H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1, busa 0.0480 mol sa tubig ang maporma. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Isip pagsusi, ang standard enthalpies of formation gikan sa OpenStax Appendix G naghatag og −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol alang sa parehas nga net nga reaksyon, nga gikuha ang ΔH°f sa H⁺(aq) isip zero pinaagi sa kombensiyon.

Bomb calorimetry ug ang gintang tali sa ΔU ug ΔH

Ang combustion gisukod sa bomb calorimeter, usa ka selyado nga steel nga sudlanan sa paligo sa tubig. Tungod kay ang volume piho, walay expansion work nga gihimo ug ang gisukod nga kainit mao ang ΔU, dili ΔH. Ang tibuok aparato gina-calibrate isip usa ka yunit, nga naghatag og calorimeter constant nga C_cal sa kJ/°C, busa q = C_cal × ΔT nga walay managlahing masa o specific heat.

Nasulbad nga ehemplo 4. Ang pagsunog sa 0.5000 g nga likido nga benzene, C₆H₆, sa calorimeter nga adunay C_cal = 10.25 kJ/°C nagpataas sa temperatura og 2.038 °C. Gamit ang IUPAC standard atomic weights nga gi-round sa duha ka decimal (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, busa n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, busa ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, nga adunay upat ka mahinungdanong digit tungod kay ang matag gisukod nga bili adunay upat.

Aron i-convert ngadto sa enthalpy, gamita ang ΔH = ΔU + Δn_gas RT. Sa C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ang mga mole sa gas mokunhod gikan sa 7.5 ngadto sa 6, busa ang Δn_gas = −1.5 ug ang pagtul-id (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, nga motugma sa −3267.7 kJ/mol nga nakuha gikan sa Appendix G nga formation enthalpies. Modako ang pagtul-id kung ang reaksyon naghimo o mokonsumo og daghang mole sa gas.

Pagbasa ug pag-scale sa mga thermochemical equation

Ang thermochemical equation nagdugtong sa ΔH sa reaksyon eksakto sama sa pagkasulat. Doblea ang mga coefficient ug magdoble ang ΔH; baliskara ang reaksyon ug mausab ang timaan. Importante ang mga pisikal nga kahimtang: ang pagporma og likido nga tubig nagpagawas og mas daghang kainit kaysa pagporma og water vapor, tungod kay ang condensation mismo exothermic.

Aron makita ang kainit alang sa gihatag nga gidaghanon sa substansiya, i-convert ngadto sa mole ug gamita ang ΔH matag mole sa reaksyon isip conversion factor. Ang pagsunog sa 12.5 g nga benzene, nga ang ΔH = −3267.7 kJ matag mole sa benzene, nagpagawas og (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ. Isulat kini isip q = −523 kJ alang sa reaksyon, o isip 523 kJ nga kainit nga gipagawas.

Mga sayop sa calorimetry nga nagbaliskad sa timaan o nagpawala sa kainit

Mubo ang aritmetika sa calorimetry, busa kadaghanan sa mga sayop konseptwal.

Ang kasaligan nga katapusang pagsusi pisikal: kung ang tubig nainit, ang reaksyon kinahanglang adunay negatibo nga ΔH.

• Nawala nga minus nga timaan: ang temperatura sa surroundings motaas, busa negatibo ang q_reaction. Ang pag-report og +55.8 kJ/mol alang sa neutralization nga nagpainit sa tubig usa ka sayop sa timaan.
• Sayop nga masa: sa solution calorimetry, gamita ang masa sa tibuok solusyon, dili ang solute lang o usa sa duha ka gisagol nga volume.
• Matag gramo batok matag mole: bahina sa mga mole sa gitakda nga species aron makuha ang kJ/mol, ug isulti kung hain nga species.
• Pag-usik-usik sa joule ug kilojoule: ang q gikan sa mcΔT sa joule; i-convert sa dili pa ibahin ngadto sa tubag nga kJ/mol.
• Pagtratar sa datos sa bomb isip ΔH: ang selyado nga bomb naghatag sa ΔU; ipadapat ang Δn_gas RT nga pagtul-id kung gikinahanglan ang ΔH.