Энтальпия және калориметрия: реакция жылуын өлшеу

Жүйе мен қоршаған орта арасындағы шекараны сызу

Әрбір энергия есебі жүйені таңдаудан басталады, әдетте реакцияға түсетін химиялық заттар. Қалғанының бәрі қоршаған орта, ол калориметрде негізінен су немесе ерітінді мен ыдыс дегенді білдіреді. Энергия шекарадан жылу q ретінде немесе жұмыс w ретінде өте алады, ал жүйенің ішкі энергиясының өзгерісі ΔU = q + w.

Энтальпия, H = U + PV, оның өзгерісі тұрақты қысымда, жалғыз жұмыс кеңею жұмысы болғанда, алмасылған жылуға тең болатындай анықталған: ΔH = q_p. Үстел химиясының көбі шамамен тұрақты атмосфералық қысымда жүретіндіктен, химиктер ішкі энергияны емес, энтальпияны кестелейді.

Жылу мен энтальпия үшін таңба келісімдері

Таңбалар әрқашан жүйенің көзқарасынан жазылады. Жүйеге ағатын жылу оң; жүйеден ағатын жылу теріс. Экзотермиялық реакция қоршаған ортаға жылу бөледі, сондықтан оның ΔH теріс және қоршаған орта жылынады. Эндотермиялық реакция жылу жұтады, сондықтан оның ΔH оң және қоршаған орта салқындайды.

Калориметрде реакцияны емес, қоршаған ортаны өлшейсіз. Егер су жылынса, су жылу алды, ал реакция дәл сонша жоғалтты. Бұл калориметрияның негізгі қатынасын береді: q_reaction = −q_surroundings.

Жылу сыйымдылығы және q = mcΔT теңдеуі

Заттың температурасын өзгертуге қажетті жылу q = mcΔT, мұндағы m — масса, c — меншікті жылу сыйымдылығы (бір граммды бір градусқа жылытуға қажетті жылу), ал ΔT = T_final − T_initial. Бір Цельсий градусының өзгерісі бір кельвиннің өзгерісіне тең, сондықтан ΔT екі шкалада да бірдей мәнге ие. Төменде қолданылған меншікті жылу сыйымдылықтар 25 °C-қа жақын өлшенген OpenStax Chemistry 2e 5.1-кестесінен алынған; сұйық су үшін c = 4.184 J/(g·°C).

1-шешілген мысал. 310.0 g кремний блогын 24.5 °C-тан 160.0 °C-қа дейін қыздыруға қанша жылу қажет? Кремнийдің меншікті жылу сыйымдылығы 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, немесе 29.9 kJ. Меншікті жылу сыйымдылықтың үш маңызды цифры бар, сондықтан жауапта да үш цифр бар.

2-шешілген мысал. 88.0 °C температурадағы 450.0 g қорғасын блогы көбік кеседе 20.5 °C температурадағы 60.0 g суға салынады. Қорғасынның меншікті жылу сыйымдылығы 0.130 J/(g·°C), ал судікі жоғарыда берілген мән. Қорғасын жоғалтқан жылу судың алған жылуына тең, сондықтан q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, мұндағы әр коэффициент масса мен меншікті жылу сыйымдылықтың көбейтіндісі. Шешкенде T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Тексеру: су шамамен 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ алады, ал қорғасын шамамен 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ жоғалтады. Судың температурасы қорғасындікінен әлдеқайда аз өзгереді, өйткені оның жылу сыйымдылығы төрт еседен астам үлкен.

Тұрақты қысымдағы кофе кесесі калориметриясы

Кофе кесесі калориметрі — ауаға ашық оқшауланған кесе, сондықтан процесс тұрақты қысымда жүреді және өлшенген жылу ΔH мәнін тікелей береді. Сұйылтылған сулы ерітінділер үшін әдеттегі болжамдар: ерітінді судың тығыздығы мен меншікті жылу сыйымдылығына ие және кесе шамалы жылу жұтады.

3-шешілген мысал. 21.42 °C температурадағы 60.0 mL 0.800 mol/L азот қышқылы дәл сондай температурадағы 60.0 mL 0.800 mol/L калий гидроксидімен араласады. Қоспа 26.75 °C-қа жетеді. Түзілген судың бір молі үшін ΔH табыңыз. Ерітінді массасы: 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. Демек q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Түзілген судың мольдері: әр ерітінді 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol береді, ал H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) реакциясы 1:1, сондықтан 0.0480 mol су түзіледі. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Тексеру ретінде, OpenStax G қосымшасындағы стандартты түзілу энтальпиялары келісім бойынша H⁺(aq) ΔH°f нөл деп алғанда, дәл сол таза реакция үшін −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol береді.

Калориметрлік бомба және ΔU мен ΔH арасындағы айырма

Жануды калориметрлік бомбада, су моншасындағы тығыз жабылған болат ыдыста өлшейді. Көлем белгіленген болғандықтан, кеңею жұмысы орындалмайды және өлшенген жылу ΔH емес, ΔU болады. Бүкіл аспап бірлік ретінде калибрленеді, kJ/°C-мен калориметр тұрақтысы C_cal береді, сондықтан q = C_cal × ΔT, бөлек масса немесе меншікті жылу сыйымдылықсыз.

4-шешілген мысал. C_cal = 10.25 kJ/°C калориметрде 0.5000 g сұйық бензол, C₆H₆, жағылғанда температура 2.038 °C-қа көтеріледі. Екі ондық таңбаға дейін дөңгелектелген IUPAC стандартты атомдық салмақтарымен (C 12.01, H 1.01) M = 78.12 g/mol, сондықтан n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, сондықтан ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, төрт маңызды цифрмен, өйткені әр өлшенген мәнде төрт цифр бар.

Энтальпияға түрлендіру үшін ΔH = ΔU + Δn_gas RT қолданыңыз. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) реакциясында газ мольдері 7.5-тен 6-ға дейін кемиді, сондықтан Δn_gas = −1.5 және түзету (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, бұл G қосымшасының түзілу энтальпияларынан алынған −3267.7 kJ/mol мәніне сәйкес. Реакция көп моль газ түзсе немесе жұмсаса, түзету өседі.

Термохимиялық теңдеулерді оқу және масштабтау

Термохимиялық теңдеу ΔH мәнін реакцияға дәл жазылғандай тіркейді. Коэффициенттерді екі еселесеңіз, ΔH екі еселенеді; реакцияны кері бұрсаңыз, таңба ауысады. Физикалық күйлер маңызды: сұйық су түзілу су буын түзілуге қарағанда көбірек жылу бөледі, өйткені конденсацияның өзі экзотермиялық.

Берілген зат мөлшері үшін жылуды табу үшін мольге түрлендіріп, реакцияның бір молі үшін ΔH мәнін түрлендіру көбейткіші ретінде қолданыңыз. 12.5 g бензолды жағу, ΔH = бір моль бензолға −3267.7 kJ, (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ бөледі. Оны реакция үшін q = −523 kJ деп немесе 523 kJ жылу бөлінді деп жазыңыз.

Таңбаларды аударып жіберетін немесе жылуды жоғалтатын калориметрия қателері

Калориметрия арифметикасы қысқа, сондықтан қателердің көбі тұжырымдамалық.

Сенімді соңғы тексеру физикалық: егер су жылынса, реакцияның ΔH мәні теріс болуы керек.

• Минус таңбасын жіберіп кету: қоршаған орта температурасы көтерілді, сондықтан q_reaction теріс. Суды жылытқан бейтараптау үшін +55.8 kJ/mol деп жазу — таңба қатесі.
• Қате масса: ерітінді калориметриясында тек еріген заттың немесе екі араласқан көлемнің бірінің емес, бүкіл ерітіндінің массасын қолданыңыз.
• Грамға қарсы мольге: kJ/mol алу үшін көрсетілген бөлшектің мольдеріне бөліңіз және қай бөлшек екенін айтыңыз.
• Джоуль мен килоджоульді араластыру: mcΔT бойынша q джоульмен; kJ/mol жауабына бөлместен бұрын түрлендіріңіз.
• Бомба деректерін ΔH деп санау: тығыз жабылған бомба ΔU береді; ΔH қажет болғанда Δn_gas RT түзетуін қолданыңыз.