එන්තැල්පිය සහ කැලරිමිතිය: ප්‍රතික්‍රියාවක තාපය මැනීම

පද්ධතිය සහ පරිසරය අතර මායිම ඇඳීම

සෑම ශක්ති ගණනයක්ම ආරම්භ වන්නේ පද්ධතියක් තෝරා ගැනීමෙනි, සාමාන්‍යයෙන් ප්‍රතික්‍රියා කරන රසායනික ද්‍රව්‍ය. අනෙක් සියල්ල පරිසරයයි, එය කැලරිමීටරයක ප්‍රධාන වශයෙන් ජලය හෝ ද්‍රාවණය සහ බඳුන අදහස් කරයි. ශක්තියට මායිම තාපය, q, ලෙස හෝ කාර්යය, w, ලෙස හරහා යා හැකි අතර, පද්ධතියේ අභ්‍යන්තර ශක්තියේ වෙනස ΔU = q + w වේ.

එන්තැල්පිය, H = U + PV, අර්ථ දක්වා ඇත්තේ එකම කාර්යය ප්‍රසාරණ කාර්යය වන විට නියත පීඩනයේදී එහි වෙනස හුවමාරු වන තාපයට සමාන වන පරිදිය: ΔH = q_p. බොහෝ බංකු රසායන විද්‍යාව ආසන්න වශයෙන් නියත වායුගෝලීය පීඩනයේ සිදුවන බැවින්, රසායනඥයන් අභ්‍යන්තර ශක්තියට වඩා එන්තැල්පිය වගු ගත කරයි.

තාපය සහ එන්තැල්පිය සඳහා ලකුණු සම්මුති

ලකුණු සැමවිටම ලියන්නේ පද්ධතියේ දෘෂ්ටිකෝණයෙනි. පද්ධතියට ගලන තාපය ධනය; පිටතට ගලන තාපය ඍණය. තාපදායක ප්‍රතික්‍රියාවක් පරිසරයට තාපය මුදා හරින බැවින් එහි ΔH ඍණ වන අතර පරිසරය උණුසුම් වේ. තාපාවශෝෂක ප්‍රතික්‍රියාවක් තාපය අවශෝෂණය කරන බැවින් එහි ΔH ධන වන අතර පරිසරය සිසිල් වේ.

කැලරිමීටරයක ඔබ මනින්නේ ප්‍රතික්‍රියාව නොව පරිසරයයි. ජලය උණුසුම් වුවහොත්, ජලය තාපය ලබා ගත් අතර ප්‍රතික්‍රියාව හරියටම එපමණ අහිමි කළේය. මෙයින් කැලරිමිතියේ මධ්‍යම සම්බන්ධතාව ලැබේ: q_reaction = −q_surroundings.

තාප ධාරිතාව සහ q = mcΔT සමීකරණය

ද්‍රව්‍යයක උෂ්ණත්වය වෙනස් කිරීමට අවශ්‍ය තාපය q = mcΔT වන අතර, m යනු ස්කන්ධය, c යනු විශිෂ්ට තාපය (ග්‍රෑමයක් එක් අංශකයකින් උණුසුම් කිරීමට අවශ්‍ය තාපය), සහ ΔT = T_final − T_initial ය. එක් සෙල්සියස් අංශකයක වෙනසක් එක් කෙල්වින් වෙනසකට සමාන වන බැවින්, ΔT හට ඕනෑම පරිමාණයක එකම අගයක් ඇත. පහත භාවිත කරන විශිෂ්ට තාප 25 °C ට ආසන්නයේ මනින ලද OpenStax Chemistry 2e වගුව 5.1 වලින් ලැබේ; ද්‍රව ජලය සඳහා, c = 4.184 J/(g·°C).

විසඳූ උදාහරණය 1. සිලිකන් 310.0 g කුට්ටියක් 24.5 °C සිට 160.0 °C දක්වා ඔසවන්නේ කොපමණ තාපයකින්ද? සිලිකන් වල විශිෂ්ට තාපය 0.712 J/(g·°C) වේ. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, හෝ 29.9 kJ. විශිෂ්ට තාපයට සැලකිය යුතු ඉලක්කම් තුනක් ඇති බැවින් පිළිතුරටද තුනක් ඇත.

විසඳූ උදාහරණය 2. 88.0 °C හි ඊයම් 450.0 g කුට්ටියක් පෙණ කෝප්පයක 20.5 °C හි ජලය 60.0 g තුළ තබනු ලැබේ. ඊයම් වල විශිෂ්ට තාපය 0.130 J/(g·°C) වන අතර ජලයේ එය ඉහත දී ඇති අගයයි. ඊයම් අහිමි කරන තාපය ජලය ලබාගන්නා තාපයට සමාන වන බැවින් q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, මෙහි සෑම සංගුණකයක්ම ස්කන්ධය ගුණ විශිෂ්ට තාපයයි. විසඳීමෙන්, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. පරීක්ෂාව: ජලය ආසන්න වශයෙන් 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ ලබා ගන්නා අතර, ඊයම් ආසන්න වශයෙන් 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ අහිමි කරයි. ජලයේ තාප ධාරිතාව හතර ගුණයකට වඩා වැඩි බැවින් ජලයේ උෂ්ණත්වය ඊයම් වලට වඩා බෙහෙවින් අඩුවෙන් චලනය වේ.

නියත පීඩනයේ කෝපි-කෝප්ප කැලරිමිතිය

කෝපි-කෝප්ප කැලරිමීටරයක් වාතයට විවෘත පරිවරණය කළ කෝප්පයකි, එබැවින් ක්‍රියාවලිය නියත පීඩනයේ සිදුවන අතර මනින ලද තාපය ΔH කෙලින්ම දෙයි. තනුක ජලීය ද්‍රාවණ සඳහා, සාමාන්‍ය උපකල්පන වන්නේ ද්‍රාවණයට ජලයේ ඝනත්වය සහ විශිෂ්ට තාපය ඇති බවත් කෝප්පය නොසැලකිය හැකි තාපයක් අවශෝෂණය කරන බවත්ය.

විසඳූ උදාහරණය 3. 21.42 °C හි 0.800 mol/L නයිට්‍රික් අම්ලය 60.0 mL එම උෂ්ණත්වයේම 0.800 mol/L පොටෑසියම් හයිඩ්‍රොක්සයිඩ් 60.0 mL සමඟ මිශ්‍ර කෙරේ. මිශ්‍රණය 26.75 °C දක්වා ළඟා වේ. සෑදෙන ජලයේ මවුලයකට ΔH සොයන්න. ද්‍රාවණයේ ස්කන්ධය: 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. එබැවින් q_reaction = −2.68 × 10³ J.

සෑදෙන ජලයේ මවුල: සෑම ද්‍රාවණයක්ම 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol සපයන අතර, H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) ප්‍රතික්‍රියාව 1:1 බැවින් ජලය 0.0480 mol සෑදේ. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. පරීක්ෂාවක් ලෙස, OpenStax ඇමුණුම G වලින් සම්මත උත්පාදන එන්තැල්පි එම ශුද්ධ ප්‍රතික්‍රියාවටම −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol ලබා දෙයි, සම්මුතියෙන් H⁺(aq) හි ΔH°f ශුන්‍ය ලෙස ගනිමින්.

බෝම්බ කැලරිමිතිය සහ ΔU සහ ΔH අතර පරතරය

දහනය මනින්නේ ජල ස්නානයක ඇති මුද්‍රා තැබූ වානේ බඳුනක් වන බෝම්බ කැලරිමීටරයකිනි. පරිමාව ස්ථාවර බැවින් ප්‍රසාරණ කාර්යයක් සිදු නොවන අතර මනින ලද තාපය ΔH නොව ΔU වේ. සමස්ත උපකරණය ඒකකයක් ලෙස ක්‍රමාංකනය කරන අතර, kJ/°C වලින් කැලරිමීටර නියතයක් C_cal ලබා දෙයි, එබැවින් q = C_cal × ΔT වේ, වෙන් වූ ස්කන්ධයක් හෝ විශිෂ්ට තාපයක් නොමැතිව.

විසඳූ උදාහරණය 4. C_cal = 10.25 kJ/°C සහිත කැලරිමීටරයක ද්‍රව බෙන්සීන්, C₆H₆, 0.5000 g දහනය කිරීමෙන් උෂ්ණත්වය 2.038 °C කින් ඉහළ නංවයි. දශම ස්ථාන දෙකකට වටකළ IUPAC සම්මත පරමාණුක බර (C 12.01, H 1.01) සමඟ, M = 78.12 g/mol, එබැවින් n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, එබැවින් ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, සෑම මනින අගයකටම හතරක් ඇති බැවින් සැලකිය යුතු ඉලක්කම් හතරකින්.

එන්තැල්පිය බවට පරිවර්තනය කිරීමට ΔH = ΔU + Δn_gas RT භාවිත කරන්න. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) හි, වායු මවුල 7.5 සිට 6 දක්වා අඩු වන බැවින් Δn_gas = −1.5 වන අතර නිවැරදි කිරීම (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol වේ. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, ඇමුණුම G උත්පාදන එන්තැල්පි වලින් ලැබෙන −3267.7 kJ/mol ට අනුකූල වේ. ප්‍රතික්‍රියාවක් වායු මවුල බොහොමයක් නිපදවන හෝ පරිභෝජනය කරන විට නිවැරදි කිරීම වර්ධනය වේ.

තාප රසායනික සමීකරණ කියවීම සහ පරිමාණය කිරීම

තාප රසායනික සමීකරණයක් ΔH ප්‍රතික්‍රියාවට ලියා ඇති පරිදිම ඈඳයි. සංගුණක දෙගුණ කරන්න, ΔH දෙගුණ වේ; ප්‍රතික්‍රියාව ප්‍රතිවර්තනය කරන්න, ලකුණ මාරු වේ. භෞතික අවස්ථා වැදගත් වේ: ද්‍රව ජලය සෑදීම ජල වාෂ්ප සෑදීමට වඩා වැඩි තාපයක් මුදා හරියි, මන්ද ඝනීභවනයම තාපදායකය.

දී ඇති ද්‍රව්‍ය ප්‍රමාණයක් සඳහා තාපය සෙවීමට, මවුල වලට පරිවර්තනය කර ප්‍රතික්‍රියාවේ මවුලයකට ΔH පරිවර්තන සාධකයක් ලෙස භාවිත කරන්න. බෙන්සීන් 12.5 g දහනය කිරීම, බෙන්සීන් මවුලයකට ΔH = −3267.7 kJ සමඟ, (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ මුදා හරියි. එය ප්‍රතික්‍රියාව සඳහා q = −523 kJ ලෙස, හෝ 523 kJ තාපයක් මුදා හැරියේ යැයි ලියන්න.

ලකුණු මාරු කරන හෝ තාපය නැති කරන කැලරිමිතික වැරදි

කැලරිමිතික ගණිතය කෙටි බැවින්, බොහෝ වැරදි සංකල්පීයය.

විශ්වාසදායක අවසාන පරීක්ෂාවක් භෞතිකය: ජලය උණුසුම් වුවහොත්, ප්‍රතික්‍රියාවට ඍණ ΔH තිබිය යුතුය.

• ඍණ ලකුණ මග හැරීම: පරිසරයේ උෂ්ණත්වය ඉහළ ගිය බැවින් q_reaction ඍණය. ජලය උණුසුම් කළ උදාසීන කිරීමක් සඳහා +55.8 kJ/mol වාර්තා කිරීම ලකුණු දෝෂයකි.
• වැරදි ස්කන්ධය: ද්‍රාවණ කැලරිමිතියේ, ද්‍රාව්‍යයේ හෝ මිශ්‍ර කළ පරිමා දෙකෙන් එකක ස්කන්ධය නොව සමස්ත ද්‍රාවණයේ ස්කන්ධය භාවිත කරන්න.
• ග්‍රෑමයකට සහ මවුලයකට: kJ/mol ලබා ගැනීමට නිශ්චිත විශේෂයේ මවුල වලින් බෙදා, කුමන විශේෂයදැයි පවසන්න.
• ජූල් සහ කිලෝජූල් මිශ්‍ර කිරීම: mcΔT න් q ජූල් වලින් වේ; kJ/mol පිළිතුරකට බෙදීමට පෙර පරිවර්තනය කරන්න.
• බෝම්බ දත්ත ΔH ලෙස සැලකීම: මුද්‍රා තැබූ බෝම්බයක් ΔU දෙයි; ΔH අවශ්‍ය වූ විට Δn_gas RT නිවැරදි කිරීම යොදන්න.