എൻതാൽപ്പിയും കലോറിമെട്രിയും: ഒരു അഭിക്രിയയുടെ താപം അളക്കൽ

വ്യൂഹത്തിനും ചുറ്റുപാടിനും ഇടയിൽ അതിർത്തി വരയ്ക്കൽ

ഓരോ ഊർജ കണക്കുകൂട്ടലും ഒരു വ്യൂഹം തിരഞ്ഞെടുത്തുകൊണ്ട് തുടങ്ങുന്നു, സാധാരണയായി അഭിക്രിയ ചെയ്യുന്ന രാസവസ്തുക്കൾ. മറ്റെല്ലാം ചുറ്റുപാടാണ്, കലോറിമീറ്ററിൽ അത് പ്രധാനമായും വെള്ളമോ ലായനിയോ പാത്രമോ ആണ്. ഊർജത്തിന് താപമായി, q, അല്ലെങ്കിൽ പ്രവൃത്തിയായി, w, അതിർത്തി കടക്കാം, വ്യൂഹത്തിന്റെ ആന്തര ഊർജത്തിലെ മാറ്റം ΔU = q + w ആണ്.

എൻതാൽപ്പി, H = U + PV, നിർവചിച്ചിരിക്കുന്നത് ഏക പ്രവൃത്തി വികാസ പ്രവൃത്തിയായിരിക്കുമ്പോൾ സ്ഥിര മർദത്തിൽ കൈമാറുന്ന താപത്തിന് അതിന്റെ മാറ്റം തുല്യമാകുന്ന വിധത്തിലാണ്: ΔH = q_p. മിക്ക ലാബ് രസതന്ത്രവും ഏകദേശം സ്ഥിര അന്തരീക്ഷ മർദത്തിൽ നടക്കുന്നതിനാൽ രസതന്ത്രജ്ഞർ ആന്തര ഊർജത്തിനു പകരം എൻതാൽപ്പി പട്ടികപ്പെടുത്തുന്നു.

താപത്തിനും എൻതാൽപ്പിക്കുമുള്ള ചിഹ്ന കീഴ്‌വഴക്കങ്ങൾ

ചിഹ്നങ്ങൾ എപ്പോഴും വ്യൂഹത്തിന്റെ കാഴ്ചപ്പാടിൽ നിന്നാണ് എഴുതുന്നത്. വ്യൂഹത്തിലേക്ക് ഒഴുകുന്ന താപം പോസിറ്റീവ് ആണ്; പുറത്തേക്ക് ഒഴുകുന്നത് നെഗറ്റീവ്. താപമോചക അഭിക്രിയ ചുറ്റുപാടിലേക്ക് താപം പുറത്തുവിടുന്നു, അതിനാൽ അതിന്റെ ΔH നെഗറ്റീവ് ആണ്, ചുറ്റുപാട് ചൂടാകുന്നു. താപശോഷക അഭിക്രിയ താപം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു, അതിനാൽ അതിന്റെ ΔH പോസിറ്റീവ് ആണ്, ചുറ്റുപാട് തണുക്കുന്നു.

ഒരു കലോറിമീറ്ററിൽ നിങ്ങൾ അളക്കുന്നത് അഭിക്രിയയെയല്ല, ചുറ്റുപാടിനെയാണ്. വെള്ളം ചൂടായെങ്കിൽ, വെള്ളം താപം നേടി, അഭിക്രിയ കൃത്യമായി അത്രയും നഷ്ടപ്പെടുത്തി. ഇത് കലോറിമെട്രിയുടെ കേന്ദ്ര ബന്ധം നൽകുന്നു: q_reaction = −q_surroundings.

താപധാരിതയും q = mcΔT സമവാക്യവും

ഒരു പദാർഥത്തിന്റെ താപനില മാറ്റാൻ വേണ്ട താപം q = mcΔT ആണ്, ഇവിടെ m പിണ്ഡവും c വിശിഷ്ട താപധാരിതയും (ഒരു ഗ്രാമിനെ ഒരു ഡിഗ്രി ചൂടാക്കാൻ വേണ്ട താപം) ΔT = T_final − T_initial ഉം ആണ്. ഒരു ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസ് മാറ്റം ഒരു കെൽവിൻ മാറ്റത്തിന് തുല്യമാണ്, അതിനാൽ ΔT-ക്ക് ഏത് സ്കെയിലിലും ഒരേ മൂല്യമാണ്. താഴെ ഉപയോഗിക്കുന്ന വിശിഷ്ട താപധാരിതകൾ 25 °C-ന് സമീപം അളന്ന OpenStax Chemistry 2e പട്ടിക 5.1-ൽ നിന്നുള്ളതാണ്; ദ്രാവക ജലത്തിന്, c = 4.184 J/(g·°C).

ഉദാഹരണം 1. 310.0 g സിലിക്കൺ കട്ടയെ 24.5 °C-ൽ നിന്ന് 160.0 °C-ലേക്ക് ഉയർത്താൻ എത്ര താപം വേണം? സിലിക്കണിന്റെ വിശിഷ്ട താപധാരിത 0.712 J/(g·°C) ആണ്. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, അഥവാ 29.9 kJ. വിശിഷ്ട താപധാരിതയ്ക്ക് മൂന്ന് സാർഥക അക്കങ്ങളുള്ളതിനാൽ ഉത്തരത്തിനും മൂന്നാണ്.

ഉദാഹരണം 2. 88.0 °C-ലുള്ള 450.0 g ലെഡ് കട്ടയെ ഫോം കപ്പിൽ 20.5 °C-ലുള്ള 60.0 g വെള്ളത്തിൽ ഇടുന്നു. ലെഡിന്റെ വിശിഷ്ട താപധാരിത 0.130 J/(g·°C) ആണ്, വെള്ളത്തിന്റേത് മുകളിൽ നൽകിയ മൂല്യമാണ്. ലെഡ് നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്ന താപം വെള്ളം നേടുന്ന താപത്തിന് തുല്യമാണ്, അതിനാൽ q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, ഇവിടെ ഓരോ ഗുണാങ്കവും പിണ്ഡം ഗുണം വിശിഷ്ട താപധാരിതയാണ്. നിർധാരണം ചെയ്താൽ, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. പരിശോധന: വെള്ളം ഏകദേശം 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ നേടുന്നു, ലെഡ് ഏകദേശം 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നു. വെള്ളത്തിന്റെ താപധാരിത നാലിരട്ടിയിലധികമായതിനാൽ അതിന്റെ താപനില ലെഡിന്റേതിനെക്കാൾ വളരെ കുറച്ച് മാത്രമേ മാറുന്നുള്ളൂ.

സ്ഥിര മർദത്തിലെ കോഫി-കപ്പ് കലോറിമെട്രി

കോഫി-കപ്പ് കലോറിമീറ്റർ വായുവിലേക്ക് തുറന്ന, താപരോധക കപ്പാണ്; അതിനാൽ പ്രക്രിയ സ്ഥിര മർദത്തിൽ നടക്കുന്നു, അളന്ന താപം നേരിട്ട് ΔH നൽകുന്നു. നേർത്ത ജലീയ ലായനികൾക്ക്, ലായനിക്ക് വെള്ളത്തിന്റെ സാന്ദ്രതയും വിശിഷ്ട താപധാരിതയും ഉണ്ടെന്നും കപ്പ് അവഗണിക്കാവുന്ന താപം മാത്രം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നുവെന്നുമാണ് സാധാരണ അനുമാനങ്ങൾ.

ഉദാഹരണം 3. 21.42 °C-ലുള്ള 0.800 mol/L നൈട്രിക് അമ്ലത്തിന്റെ 60.0 mL, അതേ താപനിലയിലുള്ള 0.800 mol/L പൊട്ടാസ്യം ഹൈഡ്രോക്സൈഡിന്റെ 60.0 mL-മായി കലർത്തുന്നു. മിശ്രിതം 26.75 °C-ൽ എത്തുന്നു. ഉണ്ടാകുന്ന ഒരു മോൾ ജലത്തിന് ΔH കണ്ടെത്തുക. ലായനിയുടെ പിണ്ഡം: 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. അതിനാൽ q_reaction = −2.68 × 10³ J.

ഉണ്ടാകുന്ന ജലത്തിന്റെ മോളുകൾ: ഓരോ ലായനിയും 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol നൽകുന്നു, H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) അഭിക്രിയ 1:1 ആണ്, അതിനാൽ 0.0480 mol ജലം ഉണ്ടാകുന്നു. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. പരിശോധനയായി, OpenStax അനുബന്ധം G-യിലെ മാനക രൂപീകരണ എൻതാൽപ്പികൾ അതേ നെറ്റ് അഭിക്രിയയ്ക്ക് −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol നൽകുന്നു, കീഴ്‌വഴക്കപ്രകാരം H⁺(aq)-ന്റെ ΔH°f പൂജ്യമായി എടുക്കുന്നു.

ബോംബ് കലോറിമെട്രിയും ΔU-വും ΔH-ഉം തമ്മിലുള്ള വിടവും

ജലസ്നാനത്തിലെ അടച്ച സ്റ്റീൽ പാത്രമായ ബോംബ് കലോറിമീറ്ററിലാണ് ജ്വലനം അളക്കുന്നത്. വ്യാപ്തം സ്ഥിരമായതിനാൽ വികാസ പ്രവൃത്തി നടക്കുന്നില്ല, അളന്ന താപം ΔH അല്ല, ΔU ആണ്. ഉപകരണം മുഴുവൻ ഒരു യൂണിറ്റായി കാലിബ്രേറ്റ് ചെയ്യുന്നു, kJ/°C-ൽ കലോറിമീറ്റർ സ്ഥിരാങ്കം C_cal നൽകുന്നു; അതിനാൽ q = C_cal × ΔT, വേറിട്ട പിണ്ഡമോ വിശിഷ്ട താപധാരിതയോ ഇല്ലാതെ.

ഉദാഹരണം 4. C_cal = 10.25 kJ/°C ഉള്ള കലോറിമീറ്ററിൽ 0.5000 g ദ്രാവക ബെൻസീൻ, C₆H₆, കത്തിക്കുമ്പോൾ താപനില 2.038 °C ഉയരുന്നു. രണ്ട് ദശാംശസ്ഥാനങ്ങളിലേക്ക് റൗണ്ട് ചെയ്ത IUPAC സാധാരണ ആറ്റോമിക ഭാരങ്ങൾ (C 12.01, H 1.01) ഉപയോഗിച്ച്, M = 78.12 g/mol, അതിനാൽ n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, അതിനാൽ ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol; അളന്ന എല്ലാ മൂല്യങ്ങൾക്കും നാല് അക്കങ്ങളുള്ളതിനാൽ നാല് സാർഥക അക്കങ്ങൾ.

എൻതാൽപ്പിയിലേക്ക് മാറ്റാൻ ΔH = ΔU + Δn_gas RT ഉപയോഗിക്കുക. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l)-ൽ വാതക മോളുകൾ 7.5-ൽ നിന്ന് 6-ലേക്ക് കുറയുന്നു, അതിനാൽ Δn_gas = −1.5 ആണ്, തിരുത്തൽ (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol ആണ്. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, അനുബന്ധം G രൂപീകരണ എൻതാൽപ്പികളിൽ നിന്ന് ലഭിക്കുന്ന −3267.7 kJ/mol-മായി യോജിക്കുന്നു. ഒരു അഭിക്രിയ ധാരാളം മോൾ വാതകം ഉണ്ടാക്കുകയോ ഉപയോഗിക്കുകയോ ചെയ്യുമ്പോൾ തിരുത്തൽ വർധിക്കുന്നു.

താപരാസ സമവാക്യങ്ങൾ വായിക്കുകയും അളക്കുകയും ചെയ്യൽ

താപരാസ സമവാക്യം ΔH-നെ അഭിക്രിയയോട് എഴുതിയതുപോലെ തന്നെ ചേർക്കുന്നു. ഗുണാങ്കങ്ങൾ ഇരട്ടിയാക്കിയാൽ ΔH ഇരട്ടിയാകുന്നു; അഭിക്രിയ തിരിച്ചാക്കിയാൽ ചിഹ്നം മാറുന്നു. ഭൗതിക അവസ്ഥകൾ പ്രധാനമാണ്: ദ്രാവക ജലം രൂപപ്പെടുന്നത് ജലബാഷ്പം രൂപപ്പെടുന്നതിനെക്കാൾ കൂടുതൽ താപം പുറത്തുവിടുന്നു, കാരണം ഘനീഭവിക്കൽ തന്നെ താപമോചകമാണ്.

ഒരു നിശ്ചിത അളവ് പദാർഥത്തിനുള്ള താപം കണ്ടെത്താൻ, മോളുകളിലേക്ക് മാറ്റി അഭിക്രിയയുടെ ഓരോ മോളിനുമുള്ള ΔH ഒരു പരിവർത്തന ഘടകമായി ഉപയോഗിക്കുക. ഓരോ മോൾ ബെൻസീനും ΔH = −3267.7 kJ ഉള്ള 12.5 g ബെൻസീൻ കത്തിക്കുമ്പോൾ (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ പുറത്തുവിടുന്നു. അഭിക്രിയയ്ക്ക് q = −523 kJ എന്ന് എഴുതുക, അല്ലെങ്കിൽ 523 kJ താപം പുറത്തുവിട്ടു എന്ന് എഴുതുക.

ചിഹ്നങ്ങൾ തിരിക്കുന്നതോ താപം നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നതോ ആയ കലോറിമെട്രി പിഴവുകൾ

കലോറിമെട്രി ഗണിതം ചെറുതാണ്, അതിനാൽ മിക്ക പിശകുകളും ആശയപരമാണ്.

വിശ്വസനീയമായ അവസാന പരിശോധന ഭൗതികമാണ്: വെള്ളം ചൂടായെങ്കിൽ, അഭിക്രിയയ്ക്ക് നെഗറ്റീവ് ΔH ആയിരിക്കണം.

• മൈനസ് ചിഹ്നം വിട്ടുപോകൽ: ചുറ്റുപാടിന്റെ താപനില ഉയർന്നു, അതിനാൽ q_reaction നെഗറ്റീവ് ആണ്. വെള്ളം ചൂടാക്കിയ നിർവീര്യീകരണത്തിന് +55.8 kJ/mol രേഖപ്പെടുത്തുന്നത് ചിഹ്ന പിശകാണ്.
• തെറ്റായ പിണ്ഡം: ലായനി കലോറിമെട്രിയിൽ ലേയത്തിന്റെയോ കലർത്തിയ രണ്ട് വ്യാപ്തങ്ങളിലൊന്നിന്റെയോ മാത്രമല്ല, മുഴുവൻ ലായനിയുടെയും പിണ്ഡം ഉപയോഗിക്കുക.
• ഗ്രാമിന് എതിരെ മോളിന്: kJ/mol ലഭിക്കാൻ നിർദിഷ്ട സ്പീഷീസിന്റെ മോളുകൾ കൊണ്ട് ഹരിക്കുക, ഏത് സ്പീഷീസ് എന്ന് പറയുക.
• ജൂളും കിലോജൂളും കൂട്ടിക്കലർത്തൽ: mcΔT-ൽ നിന്നുള്ള q ജൂളിലാണ്; kJ/mol ഉത്തരത്തിലേക്ക് ഹരിക്കുംമുമ്പ് മാറ്റുക.
• ബോംബ് ഡാറ്റയെ ΔH ആയി കണക്കാക്കൽ: അടച്ച ബോംബ് ΔU നൽകുന്നു; ΔH വേണ്ടപ്പോൾ Δn_gas RT തിരുത്തൽ പ്രയോഗിക്കുക.