एन्थाल्पी र क्यालोरिमिति: अभिक्रियाको ताप मापन

प्रणाली र परिवेशबीचको सीमा कोर्ने

प्रत्येक ऊर्जा गणना प्रणाली छनोटबाट सुरु हुन्छ, सामान्यतः अभिक्रिया गर्ने रसायन। बाँकी सबै परिवेश हो, जसको अर्थ क्यालोरिमिटरमा मुख्यतः पानी वा विलयन र भाँडो हो। ऊर्जा ताप, q, वा कार्य, w, का रूपमा सीमा पार गर्न सक्छ, र प्रणालीको आन्तरिक ऊर्जाको परिवर्तन ΔU = q + w हुन्छ।

एन्थाल्पी, H = U + PV, यसरी परिभाषित गरिएको छ कि एकमात्र कार्य प्रसारण कार्य हुँदा यसको परिवर्तन स्थिर चापमा आदानप्रदान गरिएको ताप बराबर हुन्छ: ΔH = q_p। अधिकांश प्रयोगशालाको रसायनशास्त्र लगभग स्थिर वायुमण्डलीय चापमा हुने भएकाले रसायनशास्त्रीहरू आन्तरिक ऊर्जाको सट्टा एन्थाल्पी तालिकाबद्ध गर्छन्।

ताप र एन्थाल्पीका चिह्न परिपाटी

चिह्न सधैँ प्रणालीको दृष्टिकोणबाट लेखिन्छ। प्रणालीमा बग्ने ताप धनात्मक हुन्छ; बाहिर बग्ने ऋणात्मक हुन्छ। ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाले परिवेशमा ताप निकाल्छ, त्यसैले यसको ΔH ऋणात्मक हुन्छ र परिवेश तातिन्छ। ऊष्माशोषी अभिक्रियाले ताप सोस्छ, त्यसैले यसको ΔH धनात्मक हुन्छ र परिवेश चिसिन्छ।

क्यालोरिमिटरमा तपाईंले अभिक्रियालाई होइन, परिवेशलाई मापन गर्नुहुन्छ। पानी तातेमा पानीले ताप पायो, र अभिक्रियाले ठ्याक्कै त्यति गुमायो। यसले क्यालोरिमितिको केन्द्रीय सम्बन्ध दिन्छ: q_reaction = −q_surroundings।

ताप धारिता र समीकरण q = mcΔT

पदार्थको तापक्रम बदल्न चाहिने ताप q = mcΔT हो, जहाँ m द्रव्यमान, c विशिष्ट ताप (एक ग्रामलाई एक डिग्रीले तताउन चाहिने ताप), र ΔT = T_final − T_initial हो। एक डिग्री सेल्सियसको परिवर्तन एक केल्भिनको परिवर्तन बराबर हुन्छ, त्यसैले ΔT को मान दुवै मापनीमा उही हुन्छ। तल प्रयोग गरिएका विशिष्ट ताप OpenStax Chemistry 2e तालिका 5.1 बाट आएका हुन्, 25 °C नजिक मापित; तरल पानीका लागि c = 4.184 J/(g·°C)।

हल गरिएको उदाहरण 1। 310.0 g सिलिकनको ब्लकलाई 24.5 °C बाट 160.0 °C सम्म उठाउन कति ताप चाहिन्छ? सिलिकनको विशिष्ट ताप 0.712 J/(g·°C) हो। ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C। q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, अर्थात् 29.9 kJ। विशिष्ट तापमा तीनओटा सार्थक अंक छन्, त्यसैले उत्तरमा पनि छन्।

हल गरिएको उदाहरण 2। 88.0 °C मा 450.0 g को लेडको ब्लकलाई फोमको कपमा 20.5 °C को 60.0 g पानीमा राखिन्छ। लेडको विशिष्ट ताप 0.130 J/(g·°C) हो, र पानीको माथि दिइएको मान हो। लेडले गुमाएको ताप पानीले पाएको ताप बराबर हुन्छ, त्यसैले q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, जहाँ प्रत्येक गुणाङ्क द्रव्यमान गुणा विशिष्ट ताप हो। हल गर्दा T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C। जाँच: पानीले करिब 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ पाउँछ, र लेडले करिब 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ गुमाउँछ। पानीको ताप धारिता चार गुणाभन्दा बढी ठूलो भएकाले यसको तापक्रम लेडको भन्दा निकै कम सर्छ।

स्थिर चापमा कफी-कप क्यालोरिमिति

कफी-कप क्यालोरिमिटर हावामा खुला रहेको तापरोधी कप हो, त्यसैले प्रक्रिया स्थिर चापमा हुन्छ र मापित तापले ΔH सिधै दिन्छ। तनु जलीय विलयनका लागि सामान्य अनुमान यी हुन्: विलयनमा पानीको घनत्व र विशिष्ट ताप छ, र कपले नगण्य ताप सोस्छ।

हल गरिएको उदाहरण 3। 21.42 °C मा 0.800 mol/L नाइट्रिक अम्लको 60.0 mL लाई उही तापक्रममा 0.800 mol/L पोटासियम हाइड्रोक्साइडको 60.0 mL सँग मिसाइन्छ। मिश्रण 26.75 °C मा पुग्छ। बनेको प्रति मोल पानीको ΔH पत्ता लगाउनुहोस्। विलयनको द्रव्यमान: 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। त्यसैले q_reaction = −2.68 × 10³ J।

बनेको पानीका मोल: प्रत्येक विलयनले 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol दिन्छ, र अभिक्रिया H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1 हो, त्यसैले 0.0480 mol पानी बन्छ। ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol। जाँचका रूपमा, OpenStax परिशिष्ट G का मानक निर्माण एन्थाल्पीले उही नेट अभिक्रियाका लागि −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol दिन्छ, परिपाटीअनुसार H⁺(aq) को ΔH°f शून्य मान्दा।

बम क्यालोरिमिति र ΔU तथा ΔH बीचको अन्तर

दहन बम क्यालोरिमिटरमा मापन गरिन्छ, जुन पानीले भरिएको भाँडोभित्र रहेको सिलबन्द स्टिलको भाँडो हो। आयतन निश्चित भएकाले कुनै प्रसारण कार्य हुँदैन र मापित ताप ΔH होइन, ΔU हुन्छ। सम्पूर्ण उपकरण एकाइका रूपमा क्यालिब्रेट गरिन्छ, जसले kJ/°C मा क्यालोरिमिटर स्थिरांक C_cal दिन्छ, त्यसैले q = C_cal × ΔT हुन्छ र छुट्टै द्रव्यमान वा विशिष्ट ताप चाहिँदैन।

हल गरिएको उदाहरण 4। C_cal = 10.25 kJ/°C भएको क्यालोरिमिटरमा तरल बेन्जिन, C₆H₆, को 0.5000 g जलाउँदा तापक्रम 2.038 °C ले बढ्छ। दुई दशमलवसम्म राउन्ड गरिएका IUPAC मानक परमाणु भार (C 12.01, H 1.01) सँग M = 78.12 g/mol हुन्छ, त्यसैले n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol। q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, त्यसैले ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, चारओटा सार्थक अंकसहित किनभने प्रत्येक मापित मानमा चारओटा छन्।

एन्थाल्पीमा रूपान्तरण गर्न ΔH = ΔU + Δn_gas RT प्रयोग गर्नुहोस्। C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) मा ग्यासका मोल 7.5 बाट 6 मा झर्छन्, त्यसैले Δn_gas = −1.5 र सुधार (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol हो। ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, जुन परिशिष्ट G का निर्माण एन्थाल्पीबाट प्राप्त −3267.7 kJ/mol सँग मिल्छ। अभिक्रियाले धेरै मोल ग्यास बनाउँदा वा खपत गर्दा सुधार बढ्छ।

ताप रासायनिक समीकरण पढ्ने र मापन गर्ने

ताप रासायनिक समीकरणले ΔH लाई अभिक्रियासँग ठ्याक्कै लेखिएबमोजिम जोड्छ। गुणाङ्क दोब्बर गर्दा ΔH दोब्बर हुन्छ; अभिक्रिया उल्टाउँदा चिह्न पल्टिन्छ। भौतिक अवस्था महत्त्वपूर्ण हुन्छ: तरल पानी बनाउँदा पानीको वाष्प बनाउँदाभन्दा बढी ताप निस्कन्छ, किनभने संघनन आफैँ ऊष्माक्षेपी हुन्छ।

पदार्थको दिइएको परिमाणका लागि ताप पत्ता लगाउन मोलमा रूपान्तरण गर्नुहोस् र प्रति मोल अभिक्रियाको ΔH लाई रूपान्तरण गुणकका रूपमा प्रयोग गर्नुहोस्। प्रति मोल बेन्जिन ΔH = −3267.7 kJ भएको 12.5 g बेन्जिन जलाउँदा (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ निस्कन्छ। यसलाई अभिक्रियाका लागि q = −523 kJ, वा 523 kJ ताप निस्कियो भनी लेख्नुहोस्।

चिह्न पल्टाउने वा ताप गुमाउने क्यालोरिमितिका गल्ती

क्यालोरिमितिको अङ्कगणित छोटो हुन्छ, त्यसैले अधिकांश त्रुटि अवधारणागत हुन्छन्।

एउटा भरपर्दो अन्तिम जाँच भौतिक हो: पानी तात्यो भने अभिक्रियाको ΔH ऋणात्मक हुनुपर्छ।

• छुटेको ऋण चिह्न: परिवेशको तापक्रम बढ्यो, त्यसैले q_reaction ऋणात्मक हुन्छ। पानी तताउने उदासीनीकरणका लागि +55.8 kJ/mol लेख्नु चिह्नको त्रुटि हो।
• गलत द्रव्यमान: विलयन क्यालोरिमितिमा केवल विलेय वा मिसाइएका दुई आयतनमध्ये एकको होइन, पूरै विलयनको द्रव्यमान प्रयोग गर्नुहोस्।
• प्रति ग्राम बनाम प्रति मोल: kJ/mol पाउन निर्दिष्ट स्पेसिजको मोलले भाग गर्नुहोस्, र कुन स्पेसिज हो भनी भन्नुहोस्।
• जुल र किलोजुल मिसाउनु: mcΔT बाट आएको q जुलमा हुन्छ; kJ/mol उत्तरमा भाग गर्नुअघि रूपान्तरण गर्नुहोस्।
• बमको तथ्याङ्कलाई ΔH मान्नु: सिलबन्द बमले ΔU दिन्छ; ΔH चाहिँदा Δn_gas RT सुधार लागू गर्नुहोस्।