Entalpî û kalorîmetrî: pîvandina germa reaksiyonekê

Xêzkirina sînor di navbera pergal û derdorê de

Her hesabeke enerjiyê bi hilbijartina pergalekê dest pê dike, bi gelemperî maddeyên kîmyewî yên reaksiyonê. Her tiştê din derdor e, ku di kalorîmetreyekê de bi giranî av an çareserî û keştî tê wateya. Enerjî dikare wekî germ, q, an wekî kar, w, ji sînor derbas bibe, û guherîna enerjiya hundirîn a pergalê ΔU = q + w e.

Entalpî, H = U + PV, wiha tê pênasekirin ku guherîna wê bi germa di zextê sabît de hatî guhertin re wekhev e dema ku karê yekane karê dirêjbûnê ye: ΔH = q_p. Ji ber ku piraniya kîmyaya maseyê di zexta atmosferî ya nêzîkî sabît de çêdibe, kîmyager entalpiyê li şûna enerjiya hundirîn dihejmêrin.

Peymanên nîşanan ji bo germ û entalpiyê

Nîşan her gav ji nêrîna pergalê têne nivîsandin. Germa ku dikeve nav pergalê erênî ye; germa ku derdikeve neyînî ye. Reaksiyoneke egzotermîk germê ji derdorê re azad dike, ji ber vê yekê ΔH ya wê neyînî ye û derdor germ dibe. Reaksiyoneke endotermîk germê dikişîne, ji ber vê yekê ΔH ya wê erênî ye û derdor sar dibe.

Di kalorîmetreyekê de tu derdorê dipîvî, ne reaksiyonê. Heke av germ bibe, av germ stand, û reaksiyon tam bi qasî wê winda kir. Ev têkiliya navendî ya kalorîmetriyê dide: q_reaction = −q_surroundings.

Kapasîteya germê û hevkêşeya q = mcΔT

Germa ku ji bo guherîna germahiya maddeyekê pêdivî ye q = mcΔT e, ku m girse ye, c germa taybet e (germa ku ji bo germkirina yek gramê bi yek pileyê hewce ye), û ΔT = T_final − T_initial. Guherîna yek pileya Celsius bi guherîna yek kelvinê re wekhev e, ji ber vê yekê ΔT li ser her du pîvanan heman nirx e. Germên taybet ên li jêr hatine bikaranîn ji Tabloya 5.1 ya OpenStax Chemistry 2e têne, li nêzî 25 °C hatine pîvandin; ji bo ava şilav, c = 4.184 J/(g·°C).

Mînaka çareserkirî 1. Çiqas germ blokeke silîkonê ya 310.0 g ji 24.5 °C heta 160.0 °C bilind dike? Germa taybet a silîkonê 0.712 J/(g·°C) e. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, an 29.9 kJ. Germa taybet sê reqemên girîng heye, ji ber vê yekê bersiv jî hene.

Mînaka çareserkirî 2. Blokeke sirbê ya 450.0 g di 88.0 °C de di 60.0 g av de di 20.5 °C de di fincaneke kefê de tê danîn. Germa taybet a sirbê 0.130 J/(g·°C) e, û ya avê nirxa li jor e. Germa ku sirb winda dike bi germa ku av distîne re wekhev e, ji ber vê yekê q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, ku her hevber girse carî germa taybet e. Çareserkirin, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Kontrol: av nêzîkî 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ distîne, û sirb nêzîkî 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ winda dike. Germahiya avê pir kêmtir ji ya sirbê diguhere ji ber ku kapasîteya wê ya germê ji çar carî zêdetir mezintir e.

Kalorîmetriya fîncana qehweyê di zextê sabît de

Kalorîmetreya fîncana qehweyê fîncaneke îzolekirî ye ku li hewayê vekirî ye, ji ber vê yekê pêvajo di zextê sabît de çêdibe û germa pîvandî rasterast ΔH dide. Ji bo çareseriyên avî yên tenik, texmînên asayî ev in ku çareserî dendik û germa taybet a avê heye û fincan germa nebirîn digire.

Mînaka çareserkirî 3. 60.0 mL asîda nîtrîk a 0.800 mol/L di 21.42 °C de bi 60.0 mL hîdroksîda potasyûmê ya 0.800 mol/L di heman germahiyê de tê tevlihev kirin. Tevlihevî digihîje 26.75 °C. ΔH ji bo her molê avê ya çêbûyî bibîne. Girseya çareseriyê: 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. Ji ber vê yekê q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Molên avê yên çêbûyî: her çareserî 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol dide, û reaksiyona H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1 e, ji ber vê yekê 0.0480 mol av çêdibe. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Wekî kontrol, entalpiyên çêbûnê yên standard ji Pêvek G ya OpenStax ji bo heman reaksiyona net −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol didin, bi girtina ΔH°f ya H⁺(aq) wekî sifir bi peymanê.

Kalorîmetriya bombeyê û valahiya di navbera ΔU û ΔH de

Şewitandin di kalorîmetreya bombeyê de tê pîvandin, keştiyeke polayî ya girtî di hammama avê de. Ji ber ku hecm sabît e, tu karê dirêjbûnê nayê kirin û germa pîvandî ΔU ye, ne ΔH. Tevahiya amûrê wekî yekeyekê tê kalibrekirin, sabîta kalorîmetreyê C_cal bi kJ/°C dide, ji ber vê yekê q = C_cal × ΔT bê girse an germa taybet a cuda.

Mînaka çareserkirî 4. Şewitandina 0.5000 g benzena şilav, C₆H₆, di kalorîmetreyekê de bi C_cal = 10.25 kJ/°C germahiyê bi 2.038 °C bilind dike. Bi kêşên atomî yên standard ên IUPAC ên heta du dehyekan bidorkirî (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, ji ber vê yekê n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, ji ber vê yekê ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, bi çar reqemên girîng ji ber ku her nirxa pîvandî çar hene.

Ji bo veguhertina entalpiyê, ΔH = ΔU + Δn_gas RT bi kar bîne. Di C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) de, molên gazê ji 7.5 dikevin 6, ji ber vê yekê Δn_gas = −1.5 û rastkirin (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol e. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, bi −3267.7 kJ/mol ya ji entalpiyên çêbûnê yên Pêvek G hatiye girtin re lihevhatî. Rastkirin dema reaksiyonek gelek molên gazê çêdike an dixwe mezin dibe.

Xwendin û mezinkirina hevkêşeyên termokîmyayî

Hevkêşeyeke termokîmyayî ΔH bi reaksiyonê re tam wekî hatiye nivîsandin girê dide. Hevberan du carî bike û ΔH du carî dibe; reaksiyonê berovajî bike û nîşan diguhere. Rewşên fîzîkî girîng in: çêkirina avê ya şilav ji çêkirina buhara avê germeke zêdetir azad dike, ji ber ku qerisîn bi xwe egzotermîk e.

Ji bo dîtina germa mîqdareke diyarkirî ya maddeyê, bo mol veguherîne û ΔH ji bo her molê reaksiyonê wekî faktorê veguhertinê bi kar bîne. Şewitandina 12.5 g benzenê, bi ΔH = −3267.7 kJ ji bo her molê benzenê, (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ azad dike. Wê wekî q = −523 kJ ji bo reaksiyonê binivîse, an wekî 523 kJ germ azad bûye.

Xeletiyên kalorîmetriyê yên ku nîşanan berovajî dikin an germê winda dikin

Hesabê kalorîmetriyê kurt e, ji ber vê yekê piraniya xeletiyan têgehî ne.

Kontrolek dawî ya pêbawer fîzîkî ye: heke av germ bûye, reaksiyon divê ΔH ya neyînî hebe.

• Nîşana kêm a mînûsê: germahiya derdorê bilind bû, ji ber vê yekê q_reaction neyînî ye. Raporkirina +55.8 kJ/mol ji bo bêalîbûnekê ya ku av germ kir xeletiyek nîşanê ye.
• Girseya şaş: di kalorîmetriya çareseriyê de, girseya tevahiya çareseriyê bi kar bîne, ne tenê ya maddeya helandî an yek ji du hecmên tevlihevkirî.
• Ji bo her gramê li hember ji bo her molê: bi molên cureya diyarkirî dabeş bike da ku kJ/mol bistînî, û bibêje kîjan cure ye.
• Tevlihevkirina jûl û kîlojûlan: q ji mcΔT bi jûl e; berî dabeşkirina li bersiva kJ/mol veguherîne.
• Dîtina daneyên bombeyê wekî ΔH: bombeyeke girtî ΔU dide; rastkirina Δn_gas RT bisepîne dema ΔH pêdivî ye.