Енталпија и калориметрија: мерење на топлината на реакција

Повлекување на границата меѓу системот и околината

Секоја енергетска пресметка почнува со избор на систем, обично хемикалиите што реагираат. Сè друго е околината, што во калориметарот значи главно водата или растворот и садот. Енергијата може да ја премине границата како топлина, q, или како работа, w, а промената на внатрешната енергија на системот е ΔU = q + w.

Енталпијата, H = U + PV, е дефинирана така што нејзината промена е еднаква на топлината разменета при постојан притисок кога единствената работа е работа на ширење: ΔH = q_p. Бидејќи поголемиот дел од лабораториската хемија се одвива при приближно постојан атмосферски притисок, хемичарите ја табелираат енталпијата, а не внатрешната енергија.

Конвенции за знаците на топлината и енталпијата

Знаците секогаш се пишуваат од гледна точка на системот. Топлината што тече во системот е позитивна; топлината што тече надвор е негативна. Егзотермната реакција ослободува топлина во околината, па нејзиното ΔH е негативно, а околината се загрева. Ендотермната реакција апсорбира топлина, па нејзиното ΔH е позитивно, а околината се лади.

Во калориметарот ја мерите околината, а не реакцијата. Ако водата се загрее, водата добила топлина, а реакцијата изгубила точно толку. Ова ја дава централната врска на калориметријата: q_reaction = −q_surroundings.

Топлински капацитет и равенката q = mcΔT

Топлината потребна за промена на температурата на супстанција е q = mcΔT, каде m е масата, c е специфичната топлина (топлината потребна да се загрее еден грам за еден степен), а ΔT = T_final − T_initial. Промена од еден целзиусов степен е еднаква на промена од еден келвин, па ΔT има иста вредност на двете скали. Специфичните топлини што се користат подолу доаѓаат од OpenStax Chemistry 2e Табела 5.1, измерени околу 25 °C; за течна вода, c = 4.184 J/(g·°C).

Решен пример 1. Колку топлина е потребна да се загрее блок силициум од 310.0 g од 24.5 °C до 160.0 °C? Специфичната топлина на силициумот е 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, или 29.9 kJ. Специфичната топлина има три значајни цифри, па затоа и одговорот.

Решен пример 2. Блок олово од 450.0 g на 88.0 °C се става во 60.0 g вода на 20.5 °C во пенаста чаша. Специфичната топлина на оловото е 0.130 J/(g·°C), а на водата е вредноста дадена погоре. Топлината изгубена од оловото е еднаква на топлината добиена од водата, па q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, каде секој коефициент е маса помножена со специфична топлина. Решавајќи, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Проверка: водата добива околу 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, а оловото губи околу 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. Температурата на водата се менува многу помалку од онаа на оловото бидејќи нејзиниот топлински капацитет е повеќе од четири пати поголем.

Калориметрија со чаша за кафе при постојан притисок

Калориметарот од чаша за кафе е изолирана чаша отворена кон воздухот, па процесот се одвива при постојан притисок, а измерената топлина директно го дава ΔH. За разредени водени раствори, вообичаените претпоставки се дека растворот ја има густината и специфичната топлина на водата и дека чашата апсорбира занемарлива топлина.

Решен пример 3. 60.0 mL азотна киселина од 0.800 mol/L на 21.42 °C се меша со 60.0 mL калиум хидроксид од 0.800 mol/L на иста температура. Смесата достигнува 26.75 °C. Најдете го ΔH по мол формирана вода. Маса на растворот: 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. Значи q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Молови формирана вода: секој раствор дава 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, а реакцијата H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) е 1:1, па се формираат 0.0480 mol вода. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Како проверка, стандардните енталпии на градба од OpenStax Додаток G даваат −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol за истата нето-реакција, земајќи ΔH°f на H⁺(aq) како нула по конвенција.

Калориметрија со бомба и разликата меѓу ΔU и ΔH

Согорувањето се мери во бомба-калориметар, запечатен челичен сад во водена бања. Бидејќи волуменот е фиксен, не се врши работа на ширење, а измерената топлина е ΔU, а не ΔH. Целиот апарат се калибрира како единица, давајќи константа на калориметарот C_cal во kJ/°C, па q = C_cal × ΔT без посебна маса или специфична топлина.

Решен пример 4. Согорувањето на 0.5000 g течен бензен, C₆H₆, во калориметар со C_cal = 10.25 kJ/°C ја зголемува температурата за 2.038 °C. Со стандардни атомски тежини на IUPAC заокружени на две децимали (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, па n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, па ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, со четири значајни цифри бидејќи секоја измерена вредност има четири.

За да се претвори во енталпија, користете ΔH = ΔU + Δn_gas RT. Во C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), молови гас паѓаат од 7.5 на 6, па Δn_gas = −1.5 и корекцијата е (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, во согласност со −3267.7 kJ/mol добиени од енталпиите на градба од Додаток G. Корекцијата расте кога реакцијата создава или троши многу молови гас.

Читање и скалирање на термохемиски равенки

Термохемиската равенка го прикачува ΔH на реакцијата точно како што е напишана. Удвојте ги коефициентите и ΔH се удвојува; свртете ја реакцијата и знакот се менува. Агрегатните состојби се важни: формирањето течна вода ослободува повеќе топлина од формирањето водена пареа, бидејќи самата кондензација е егзотермна.

За да ја најдете топлината за дадено количество супстанција, претворете во молови и користете го ΔH по мол реакција како фактор на претворање. Согорувањето на 12.5 g бензен, со ΔH = −3267.7 kJ по мол бензен, ослободува (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ. Напишете го како q = −523 kJ за реакцијата, или како 523 kJ ослободена топлина.

Грешки во калориметријата што ги превртуваат знаците или губат топлина

Аритметиката на калориметријата е кратка, па повеќето грешки се концептуални.

Сигурна завршна проверка е физичка: ако водата се загреала, реакцијата мора да има негативно ΔH.

• Недостасува знак минус: температурата на околината порасна, па q_reaction е негативно. Наведувањето +55.8 kJ/mol за неутрализација што ја загреала водата е грешка во знакот.
• Погрешна маса: при калориметрија на раствор, користете ја масата на целиот раствор, а не само на растворената супстанција или на еден од двата измешани волумена.
• По грам наспроти по мол: поделете со моловите на наведената честичка за да добиете kJ/mol и кажете која честичка.
• Мешање џули и килоџули: q од mcΔT е во џули; претворете пред да делите во одговор во kJ/mol.
• Третирање на податоците од бомба како ΔH: запечатената бомба дава ΔU; применете ја корекцијата Δn_gas RT кога се бара ΔH.