Էնթալպիա և կալորիմետրիա՝ ռեակցիայի ջերմության չափում

Համակարգի և շրջապատի միջև սահմանի գծումը

Էներգիայի յուրաքանչյուր հաշվարկ սկսվում է համակարգ ընտրելով, սովորաբար՝ ռեակցիայի մեջ մտնող քիմիական նյութերը։ Մնացած ամեն ինչ շրջապատն է, որը կալորիմետրում նշանակում է հիմնականում ջուրը կամ լուծույթը և անոթը։ Էներգիան կարող է սահմանը հատել որպես ջերմություն՝ q, կամ որպես աշխատանք՝ w, և համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը ΔU = q + w է։

Էնթալպիան՝ H = U + PV, սահմանվում է այնպես, որ նրա փոփոխությունը հավասար է հաստատուն ճնշման տակ փոխանակված ջերմությանը, երբ միակ աշխատանքը ընդլայնման աշխատանքն է՝ ΔH = q_p։ Քանի որ լաբորատոր քիմիայի մեծ մասը տեղի է ունենում մոտավորապես հաստատուն մթնոլորտային ճնշման տակ, քիմիկոսները աղյուսակավորում են էնթալպիան, այլ ոչ ներքին էներգիան։

Ջերմության և էնթալպիայի նշանների կանոնները

Նշանները միշտ գրվում են համակարգի տեսանկյունից։ Համակարգ մտնող ջերմությունը դրական է. դուրս եկող ջերմությունը՝ բացասական։ Էկզոթերմ ռեակցիան ջերմություն է անջատում շրջապատին, ուստի նրա ΔH-ը բացասական է, և շրջապատը տաքանում է։ Էնդոթերմ ռեակցիան ջերմություն է կլանում, ուստի նրա ΔH-ը դրական է, և շրջապատը սառչում է։

Կալորիմետրում դուք չափում եք շրջապատը, այլ ոչ ռեակցիան։ Եթե ջուրը տաքանում է, ջուրը ստացել է ջերմություն, և ռեակցիան կորցրել է ճիշտ այդքան։ Սա տալիս է կալորիմետրիայի կենտրոնական առնչությունը՝ q_reaction = −q_surroundings։

Ջերմունակություն և q = mcΔT հավասարումը

Նյութի ջերմաստիճանը փոխելու համար անհրաժեշտ ջերմությունը q = mcΔT է, որտեղ m-ը զանգվածն է, c-ն՝ տեսակարար ջերմունակությունը (մեկ գրամը մեկ աստիճանով տաքացնելու համար անհրաժեշտ ջերմությունը), իսկ ΔT = T_final − T_initial։ Մեկ աստիճան Ցելսիուսի փոփոխությունը հավասար է մեկ կելվինի փոփոխության, ուստի ΔT-ն ունի նույն արժեքը երկու սանդղակում էլ։ Ստորև օգտագործվող տեսակարար ջերմունակությունները վերցված են OpenStax Chemistry 2e Աղյուսակ 5.1-ից՝ չափված 25 °C-ի մոտ. հեղուկ ջրի համար c = 4.184 J/(g·°C)։

Լուծված օրինակ 1։ Որքա՞ն ջերմություն է անհրաժեշտ 310.0 g սիլիցիումի բլոկը 24.5 °C-ից 160.0 °C տաքացնելու համար։ Սիլիցիումի տեսակարար ջերմունակությունը 0.712 J/(g·°C) է։ ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C։ q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J կամ 29.9 kJ։ Տեսակարար ջերմունակությունն ունի երեք նշանակալի թվանշան, ուստի պատասխանը նույնպես։

Լուծված օրինակ 2։ 88.0 °C-ում 450.0 g կապարի բլոկը դրվում է 20.5 °C-ում 60.0 g ջրի մեջ փրփուր բաժակում։ Կապարի տեսակարար ջերմունակությունը 0.130 J/(g·°C) է, իսկ ջրինը՝ վերը նշված արժեքը։ Կապարի կորցրած ջերմությունը հավասար է ջրի ստացած ջերմությանը, ուստի q_lead + q_water = 0՝ (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, որտեղ յուրաքանչյուր գործակից զանգվածի և տեսակարար ջերմունակության արտադրյալն է։ Լուծելով՝ T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C։ Ստուգում՝ ջուրը ստանում է մոտ 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, իսկ կապարը կորցնում է մոտ 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ։ Ջրի ջերմաստիճանը շատ ավելի քիչ է փոխվում, քան կապարինը, քանի որ նրա ջերմունակությունը չորս անգամից ավելի մեծ է։

Կոֆեի բաժակի կալորիմետրիա հաստատուն ճնշման տակ

Կոֆեի բաժակի կալորիմետրը օդին բաց մեկուսացված բաժակ է, ուստի գործընթացը տեղի է ունենում հաստատուն ճնշման տակ, և չափված ջերմությունը ուղղակիորեն տալիս է ΔH-ը։ Նոսր ջրային լուծույթների համար սովորական ենթադրություններն են, որ լուծույթն ունի ջրի խտությունը և տեսակարար ջերմունակությունը, և որ բաժակը աննշան ջերմություն է կլանում։

Լուծված օրինակ 3։ 21.42 °C-ում 60.0 mL 0.800 mol/L ազոտական թթու խառնվում է նույն ջերմաստիճանի 60.0 mL 0.800 mol/L կալիումի հիդրօքսիդի հետ։ Խառնուրդը հասնում է 26.75 °C-ի։ Գտեք ΔH-ը առաջացած ջրի մեկ մոլի համար։ Լուծույթի զանգվածը՝ 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։ Այսպես q_reaction = −2.68 × 10³ J։

Առաջացած ջրի մոլերը՝ յուրաքանչյուր լուծույթ տալիս է 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, և H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) ռեակցիան 1:1 է, ուստի առաջանում է 0.0480 mol ջուր։ ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol։ Որպես ստուգում՝ OpenStax Հավելված G-ի առաջացման ստանդարտ էնթալպիաները տալիս են −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol նույն զուտ ռեակցիայի համար՝ H⁺(aq)-ի ΔH°f-ը ըստ պայմանականության զրո ընդունելով։

Ռումբային կալորիմետրիա և ΔU-ի ու ΔH-ի միջև տարբերությունը

Այրումը չափվում է ռումբային կալորիմետրում՝ ջրային լոգանքում գտնվող փակ պողպատե անոթում։ Քանի որ ծավալը ֆիքսված է, ընդլայնման աշխատանք չի կատարվում, և չափված ջերմությունը ΔU է, այլ ոչ ΔH։ Ամբողջ սարքը չափաբերվում է որպես միավոր՝ տալով կալորիմետրի հաստատուն C_cal kJ/°C-ով, ուստի q = C_cal × ΔT՝ առանց առանձին զանգվածի կամ տեսակարար ջերմունակության։

Լուծված օրինակ 4։ C_cal = 10.25 kJ/°C կալորիմետրում 0.5000 g հեղուկ բենզոլ՝ C₆H₆-ի այրումը բարձրացնում է ջերմաստիճանը 2.038 °C-ով։ IUPAC-ի ստանդարտ ատոմային զանգվածներով՝ կլորացված երկու տասնորդականի (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, ուստի n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol։ q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, ուստի ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol՝ չորս նշանակալի թվանշանով, քանի որ յուրաքանչյուր չափված արժեք ունի չորս։

Էնթալպիայի փոխարկելու համար օգտագործեք ΔH = ΔU + Δn_gas RT։ C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l)-ում գազի մոլերը 7.5-ից իջնում են 6-ի, ուստի Δn_gas = −1.5, և ուղղումը (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol է։ ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, համապատասխան Հավելված G-ի առաջացման էնթալպիաներից ստացված −3267.7 kJ/mol-ին։ Ուղղումը մեծանում է, երբ ռեակցիան առաջացնում կամ սպառում է գազի շատ մոլեր։

Ջերմաքիմիական հավասարումների ընթերցումը և մասշտաբավորումը

Ջերմաքիմիական հավասարումը ΔH-ը կցում է ռեակցիային ճիշտ այնպես, ինչպես գրված է։ Կրկնապատկեք գործակիցները և ΔH-ը կրկնապատկվում է. շրջեք ռեակցիան և նշանը շրջվում է։ Ֆիզիկական վիճակները կարևոր են. հեղուկ ջուր առաջացնելը ավելի շատ ջերմություն է անջատում, քան ջրային գոլորշի առաջացնելը, քանի որ խտացումն ինքնին էկզոթերմ է։

Նյութի տրված քանակի ջերմությունը գտնելու համար փոխարկեք մոլերի և օգտագործեք ռեակցիայի մեկ մոլի ΔH-ը որպես փոխարկման գործակից։ 12.5 g բենզոլի այրումը, ΔH = −3267.7 kJ մեկ մոլ բենզոլի համար, անջատում է (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ։ Գրեք q = −523 kJ ռեակցիայի համար, կամ որպես 523 kJ անջատված ջերմություն։

Կալորիմետրիայի սխալներ, որոնք շրջում են նշանները կամ կորցնում ջերմությունը

Կալորիմետրիայի թվաբանությունը կարճ է, ուստի սխալների մեծ մասը հասկացական են։

Հուսալի վերջնական ստուգումը ֆիզիկական է. եթե ջուրը տաքացել է, ռեակցիան պետք է ունենա բացասական ΔH։

• Բացակայող մինուս նշան. շրջապատի ջերմաստիճանը բարձրացել է, ուստի q_reaction-ը բացասական է։ +55.8 kJ/mol նշելը չեզոքացման համար, որը տաքացրել է ջուրը, նշանի սխալ է։
• Սխալ զանգված. լուծույթի կալորիմետրիայում օգտագործեք ամբողջ լուծույթի զանգվածը, այլ ոչ միայն լուծված նյութինը կամ խառնված երկու ծավալներից մեկինը։
• Մեկ գրամի դիմաց ընդդեմ մեկ մոլի դիմաց. բաժանեք նշված մասնիկի մոլերի վրա՝ kJ/mol ստանալու համար, և ասեք՝ որ մասնիկի։
• Ջոուլերն ու կիլոջոուլերը խառնելը. mcΔT-ից q-ն ջոուլերով է. kJ/mol պատասխանի մեջ բաժանելուց առաջ փոխարկեք։
• Ռումբային տվյալները ΔH համարելը. փակ ռումբը տալիս է ΔU. երբ ΔH է պահանջվում, կիրառեք Δn_gas RT ուղղումը։