एन्थॅल्पी आणि उष्णतामापन: अभिक्रियेची उष्णता मोजणे

निकाय आणि परिसर यांच्यात सीमा आखणे

प्रत्येक ऊर्जा गणन निकाय निवडण्यापासून सुरू होते, सहसा अभिक्रिया करणारी रसायने. बाकी सर्व परिसर आहे, ज्याचा उष्णतामापकात मुख्यतः पाणी किंवा द्रावण आणि पात्र असा अर्थ आहे. ऊर्जा सीमा उष्णता q म्हणून किंवा कार्य w म्हणून ओलांडू शकते, आणि निकायाच्या अंतर्गत ऊर्जेतील बदल ΔU = q + w आहे.

एन्थॅल्पी, H = U + PV, अशी परिभाषित केली आहे की तिचा बदल स्थिर दाबावर, जेव्हा एकमेव कार्य प्रसरण कार्य असते, देवाणघेवाण झालेल्या उष्णतेइतका असतो: ΔH = q_p. बहुतेक प्रयोगशाळेतील रसायनशास्त्र साधारण स्थिर वातावरणीय दाबावर घडत असल्याने रसायनशास्त्रज्ञ अंतर्गत ऊर्जेऐवजी एन्थॅल्पीची सारणी करतात.

उष्णता आणि एन्थॅल्पीसाठी चिन्हांच्या रूढी

चिन्हे नेहमी निकायाच्या दृष्टिकोनातून लिहिली जातात. निकायात येणारी उष्णता धन आहे; बाहेर जाणारी ऋण. ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया परिसराला उष्णता सोडते, म्हणून तिचा ΔH ऋण असतो आणि परिसर तापतो. ऊष्माशोषी अभिक्रिया उष्णता शोषते, म्हणून तिचा ΔH धन असतो आणि परिसर थंड होतो.

उष्णतामापकात तुम्ही अभिक्रिया नव्हे तर परिसर मोजता. पाणी तापले तर पाण्याने उष्णता मिळवली, आणि अभिक्रियेने नेमकी तितकी गमावली. यामुळे उष्णतामापनाचा मध्यवर्ती संबंध मिळतो: q_reaction = −q_surroundings.

उष्मा धारिता आणि समीकरण q = mcΔT

पदार्थाचे तापमान बदलण्यासाठी लागणारी उष्णता q = mcΔT आहे, जेथे m वस्तुमान आहे, c विशिष्ट उष्मा (एक ग्रॅम एक अंशाने तापवण्यासाठी लागणारी उष्णता) आहे, आणि ΔT = T_final − T_initial. एक अंश सेल्सिअसचा बदल एक केल्विनच्या बदलाइतका असतो, म्हणून ΔT चे मूल्य कोणत्याही मापपट्टीवर तेच असते. खाली वापरलेले विशिष्ट उष्मा OpenStax Chemistry 2e तक्ता 5.1 मधून येतात, 25 °C जवळ मोजलेले; द्रव पाण्यासाठी c = 4.184 J/(g·°C).

सोडवलेले उदाहरण 1. सिलिकॉनचा 310.0 g ठोकळा 24.5 °C वरून 160.0 °C पर्यंत तापवण्यासाठी किती उष्णता लागते? सिलिकॉनचा विशिष्ट उष्मा 0.712 J/(g·°C) आहे. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, म्हणजे 29.9 kJ. विशिष्ट उष्म्यात तीन सार्थ अंक आहेत, म्हणून उत्तरातही तीन आहेत.

सोडवलेले उदाहरण 2. 88.0 °C वरील शिशाचा 450.0 g ठोकळा फोमच्या कपमध्ये 20.5 °C वरील 60.0 g पाण्यात ठेवला जातो. शिशाचा विशिष्ट उष्मा 0.130 J/(g·°C) आहे आणि पाण्याचा तो वर दिलेला आहे. शिशाने गमावलेली उष्णता पाण्याने मिळवलेल्या उष्णतेइतकी असते, म्हणून q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, जेथे प्रत्येक गुणांक वस्तुमान गुणिले विशिष्ट उष्मा आहे. सोडवल्यास T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. तपासणी: पाणी सुमारे 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ मिळवते, आणि शिसे सुमारे 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ गमावते. पाण्याचे तापमान शिशापेक्षा खूप कमी बदलते कारण त्याची उष्मा धारिता चार पटीहून अधिक आहे.

स्थिर दाबावर कॉफी-कप उष्णतामापन

कॉफी-कप उष्णतामापक हवेसाठी उघडा असलेला रोधित कप आहे, म्हणून प्रक्रिया स्थिर दाबावर घडते आणि मोजलेली उष्णता थेट ΔH देते. विरल जलीय द्रावणांसाठी नेहमीची गृहीतके अशी की द्रावणाची घनता आणि विशिष्ट उष्मा पाण्याइतकी आहे आणि कप नगण्य उष्णता शोषतो.

सोडवलेले उदाहरण 3. 21.42 °C वरील 0.800 mol/L नायट्रिक आम्लाचे 60.0 mL त्याच तापमानावरील 0.800 mol/L पोटॅशियम हायड्रॉक्साइडच्या 60.0 mL मध्ये मिसळले जाते. मिश्रण 26.75 °C पर्यंत पोहोचते. बनलेल्या प्रति मोल पाण्याचा ΔH शोधा. द्रावणाचे वस्तुमान: 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. म्हणून q_reaction = −2.68 × 10³ J.

बनलेल्या पाण्याचे मोल: प्रत्येक द्रावण 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol पुरवते, आणि H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) ही अभिक्रिया 1:1 आहे, म्हणून 0.0480 mol पाणी बनते. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. तपासणी म्हणून, OpenStax परिशिष्ट G मधील प्रमाणित निर्मिती एन्थॅल्पी त्याच नेट अभिक्रियेसाठी −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol देतात, रूढीनुसार H⁺(aq) चा ΔH°f शून्य धरून.

बॉम्ब उष्णतामापन आणि ΔU व ΔH यांमधील अंतर

ज्वलन बॉम्ब उष्णतामापकात मोजले जाते, जे पाण्याच्या आंघोळीतील बंद स्टीलचे पात्र आहे. आकारमान निश्चित असल्याने प्रसरण कार्य होत नाही आणि मोजलेली उष्णता ΔH नव्हे तर ΔU आहे. संपूर्ण उपकरण एकक म्हणून अंशांकित केले जाते, ज्यामुळे kJ/°C मध्ये उष्णतामापक स्थिरांक C_cal मिळतो, म्हणून q = C_cal × ΔT, वेगळ्या वस्तुमान किंवा विशिष्ट उष्म्याशिवाय.

सोडवलेले उदाहरण 4. C_cal = 10.25 kJ/°C असलेल्या उष्णतामापकात द्रव बेन्झीन, C₆H₆, चे 0.5000 g जाळल्याने तापमान 2.038 °C ने वाढते. दोन दशांश स्थानांपर्यंत पूर्णांकित केलेले IUPAC प्रमाणित अणुभार (C 12.01, H 1.01) वापरून M = 78.12 g/mol, म्हणून n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, म्हणून ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, चार सार्थ अंकांसह कारण प्रत्येक मोजलेल्या मूल्यात चार आहेत.

एन्थॅल्पीत रूपांतर करण्यासाठी ΔH = ΔU + Δn_gas RT वापरा. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) मध्ये वायूचे मोल 7.5 वरून 6 वर येतात, म्हणून Δn_gas = −1.5 आणि सुधारणा (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol आहे. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, जे परिशिष्ट G मधील निर्मिती एन्थॅल्पींमधून मिळणाऱ्या −3267.7 kJ/mol शी सुसंगत आहे. अभिक्रिया अनेक मोल वायू बनवते किंवा वापरते तेव्हा ही सुधारणा वाढते.

उष्णतारासायनिक समीकरणे वाचणे आणि प्रमाणबद्ध करणे

उष्णतारासायनिक समीकरण ΔH ला अभिक्रियेशी ती जशी लिहिली आहे तशीच जोडते. गुणांक दुप्पट करा आणि ΔH दुप्पट होतो; अभिक्रिया उलट करा आणि चिन्ह पालटते. भौतिक अवस्था महत्त्वाच्या आहेत: द्रव पाणी बनवल्याने पाण्याच्या बाष्पापेक्षा जास्त उष्णता सुटते, कारण संघनन स्वतः ऊष्माक्षेपी आहे.

दिलेल्या पदार्थाच्या प्रमाणासाठी उष्णता शोधण्यासाठी मोलमध्ये रूपांतर करा आणि प्रति मोल अभिक्रियेचा ΔH रूपांतरण गुणक म्हणून वापरा. प्रति मोल बेन्झीन ΔH = −3267.7 kJ असताना 12.5 g बेन्झीन जाळल्याने (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ सुटते. अभिक्रियेसाठी q = −523 kJ असे लिहा, किंवा 523 kJ उष्णता सुटली असे.

चिन्हे उलटवणाऱ्या किंवा उष्णता गमावणाऱ्या उष्णतामापनाच्या चुका

उष्णतामापनाचे गणित लहान असते, म्हणून बहुतेक चुका संकल्पनात्मक असतात.

विश्वासार्ह अंतिम तपासणी भौतिक आहे: पाणी तापले असेल तर अभिक्रियेचा ΔH ऋण असला पाहिजे.

• वजा चिन्ह सुटणे: परिसराचे तापमान वाढले, म्हणून q_reaction ऋण आहे. पाणी तापवणाऱ्या उदासीनीकरणासाठी +55.8 kJ/mol नोंदवणे ही चिन्हाची चूक आहे.
• चुकीचे वस्तुमान: द्रावण उष्णतामापनात संपूर्ण द्रावणाचे वस्तुमान वापरा, फक्त विद्राव्याचे किंवा मिसळलेल्या दोन आकारमानांपैकी एकाचे नव्हे.
• प्रति ग्रॅम विरुद्ध प्रति मोल: kJ/mol मिळवण्यासाठी निर्दिष्ट स्पीशीजच्या मोलने भागा, आणि कोणती स्पीशीज ते सांगा.
• जूल आणि किलोजूलची गल्लत: mcΔT मधून मिळणारा q जूलमध्ये असतो; kJ/mol उत्तरात भागण्यापूर्वी रूपांतर करा.
• बॉम्ब माहितीला ΔH मानणे: बंद बॉम्ब ΔU देतो; ΔH हवा असेल तेव्हा Δn_gas RT सुधारणा लावा.