Энтальпи ба калориметр: урвалын дулааныг хэмжих

Систем ба орчны хоорондох хил зурах

Энергийн тооцоо бүр системийг, ихэвчлэн урвалд орох химийн бодисуудыг сонгохоос эхэлнэ. Бусад бүх зүйл орчин бөгөөд калориметрт энэ нь голчлон ус эсвэл уусмал ба сав. Энерги хилийг дулаан q, эсвэл ажил w хэлбэрээр гаталж болох бөгөөд системийн дотоод энергийн өөрчлөлт ΔU = q + w.

Энтальпи H = U + PV нь цорын ганц ажил тэлэлтийн ажил байх үед түүний өөрчлөлт тогтмол даралтад солилцсон дулаантай тэнцэхээр тодорхойлогдсон: ΔH = q_p. Лабораторийн ширээн дээрх ихэнх химийн үйл явц ойролцоогоор тогтмол атмосферийн даралтад явагддаг тул химичид дотоод энергийн оронд энтальпийг хүснэгтэд оруулдаг.

Дулаан ба энтальпийн тэмдгийн хэлэлцээр

Тэмдгийг үргэлж системийн үүднээс бичнэ. Системд орж буй дулаан эерэг; гарч буй дулаан сөрөг. Экзотермик урвал орчинд дулаан ялгаруулдаг тул түүний ΔH сөрөг бөгөөд орчин дулаарна. Эндотермик урвал дулаан шингээдэг тул түүний ΔH эерэг бөгөөд орчин хөрнө.

Калориметрт та урвалыг биш орчныг хэмжинэ. Хэрэв ус дулаарвал ус дулаан авсан, урвал яг тэр хэмжээгээр алдсан. Энэ нь калориметрийн гол хамаарлыг өгнө: q_reaction = −q_surroundings.

Дулаан багтаамж ба q = mcΔT тэгшитгэл

Бодисын температурыг өөрчлөхөд шаардагдах дулаан нь q = mcΔT, энд m масс, c хувийн дулаан багтаамж (нэг граммыг нэг градусаар халаахад хэрэгтэй дулаан), ΔT = T_final − T_initial. Нэг градус Цельсийн өөрчлөлт нэг кельвиний өөрчлөлттэй тэнцүү тул ΔT аль ч шкал дээр ижил утгатай. Доор хэрэглэсэн хувийн дулаан багтаамжууд нь 25 °C орчимд хэмжсэн OpenStax Chemistry 2e Хүснэгт 5.1-ээс; шингэн усны хувьд c = 4.184 J/(g·°C).

1-р жишээ. 310.0 g цахиурын блокийг 24.5 °C-аас 160.0 °C хүртэл халаахад хэр их дулаан хэрэгтэй вэ? Цахиурын хувийн дулаан багтаамж 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, эсвэл 29.9 kJ. Хувийн дулаан багтаамж ач холбогдолтой гурван цифртэй тул хариулт ч мөн адил.

2-р жишээ. 88.0 °C дахь 450.0 g хар тугалганы блокийг хөөсөн аяганд 20.5 °C дахь 60.0 g усанд хийв. Хар тугалганы хувийн дулаан багтаамж 0.130 J/(g·°C), усных дээр өгсөн утга. Хар тугалганы алдсан дулаан усны авсан дулаантай тэнцүү, иймээс q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, энд коэффициент бүр масс үржих хувийн дулаан багтаамж. Бодвол T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Шалгалт: ус ойролцоогоор 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ авч, хар тугалга ойролцоогоор 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ алддаг. Усны дулаан багтаамж дөрөв дахин илүү их учраас усны температур хар тугалганаас хавьгүй бага өөрчлөгддөг.

Тогтмол даралт дахь кофены аяганы калориметр

Кофены аяганы калориметр нь агаарт нээлттэй тусгаарлагдсан аяга тул үйл явц тогтмол даралтад явагдаж, хэмжсэн дулаан ΔH-г шууд өгнө. Шингэрүүлсэн усан уусмалын хувьд ердийн таамаглал нь уусмал усны нягт ба хувийн дулаан багтаамжтай, аяга үл тоомсорлохуйц дулаан шингээнэ гэж үзнэ.

3-р жишээ. 21.42 °C дахь 0.800 mol/L азотын хүчлийн 60.0 mL-ийг ижил температур дахь 0.800 mol/L калийн гидроксидын 60.0 mL-тэй холино. Хольц 26.75 °C хүрнэ. Үүссэн усны моль тутмын ΔH-г ол. Уусмалын масс: 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. Иймээс q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Үүссэн усны моль: уусмал бүр 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol нийлүүлдэг ба H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) урвал 1:1 тул 0.0480 mol ус үүснэ. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Шалгалт болгон OpenStax Хавсралт G-ийн үүсгэлийн стандарт энтальпиуд H⁺(aq)-ын ΔH°f-ийг хэлэлцээрээр тэг гэж авч ижил цэвэр урвалд −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol өгнө.

Бомбын калориметр ба ΔU, ΔH-ийн зөрүү

Шаталтыг усан ванн дахь битүү ган сав болох бомбын калориметрт хэмждэг. Эзлэхүүн тогтмол тул тэлэлтийн ажил хийгддэггүй, хэмжсэн дулаан ΔH биш ΔU юм. Бүх төхөөрөмжийг нэгж болгон тохируулж, kJ/°C-ийн калориметрийн тогтмол C_cal өгдөг тул q = C_cal × ΔT, тусдаа масс эсвэл хувийн дулаан багтаамжгүй.

4-р жишээ. C_cal = 10.25 kJ/°C калориметрт 0.5000 g шингэн бензол C₆H₆-ийг шатаахад температур 2.038 °C-аар өснө. Аравтын хоёр оронд бөөрөнхийлсөн IUPAC-ийн стандарт атомын жингээр (C 12.01, H 1.01) M = 78.12 g/mol, иймээс n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, иймээс ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, хэмжсэн утга бүр дөрвөн цифртэй тул ач холбогдолтой дөрвөн цифртэй.

Энтальпи руу хөрвүүлэхийн тулд ΔH = ΔU + Δn_gas RT-г хэрэглэ. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l)-д хийн моль 7.5-аас 6 болж буурдаг тул Δn_gas = −1.5 бөгөөд залруулга нь (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, Хавсралт G-ийн үүсгэлийн энтальпиас олдсон −3267.7 kJ/mol-той нийцнэ. Урвал олон моль хий үүсгэх эсвэл зарцуулах үед залруулга ихэснэ.

Дулаан химийн тэгшитгэлийг унших ба масштаблах

Дулаан химийн тэгшитгэл ΔH-г урвалд бичигдсэнээр нь холбоно. Коэффициентийг хоёр дахин ихэсгэвэл ΔH хоёр дахин ихэснэ; урвалыг эргүүлбэл тэмдэг эргэнэ. Физик төлөв чухал: шингэн ус үүсгэх нь усны уур үүсгэхээс илүү дулаан ялгаруулдаг, учир нь конденсаци өөрөө экзотермик.

Өгөгдсөн хэмжээний бодисын дулааныг олохын тулд моль руу хөрвүүлж, урвалын моль тутмын ΔH-г хөрвүүлэх үржигдэхүүн болгон ашигла. Бензолын моль тутамд ΔH = −3267.7 kJ байхад 12.5 g бензол шатаах нь (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ ялгаруулна. Үүнийг урвалын q = −523 kJ, эсвэл 523 kJ дулаан ялгарсан гэж бич.

Тэмдэг эргүүлдэг эсвэл дулаан алддаг калориметрийн алдаанууд

Калориметрийн арифметик богино тул ихэнх алдаа ойлголтын алдаа.

Найдвартай эцсийн шалгалт нь физик шинжтэй: ус дулаарсан бол урвалын ΔH сөрөг байх ёстой.

• Дутуу хасах тэмдэг: орчны температур өссөн тул q_reaction сөрөг. Усыг дулаацуулсан саармагжуулалтад +55.8 kJ/mol тайлагнах нь тэмдгийн алдаа.
• Буруу масс: уусмалын калориметрт зөвхөн уусагдагч бодис эсвэл холисон хоёр эзлэхүүний нэгийг биш, бүхэл уусмалын массыг ашигла.
• Граммд ногдох ба молид ногдох: kJ/mol гаргахын тулд заасан төрлийн молийг хуваа, мөн аль төрөл болохыг хэл.
• Жоуль ба килоджоулийг хольж хэрэглэх: mcΔT-ээс гарсан q жоулиар; kJ/mol хариултад хуваахаасаа өмнө хөрвүүл.
• Бомбын өгөгдлийг ΔH гэж үзэх: битүү бомб ΔU өгдөг; ΔH шаардлагатай үед Δn_gas RT залруулгыг хэрэглэ.