Enthalpi na Kalorimetri: Kupima Joto la Athari

Kuchora mpaka kati ya mfumo na mazingira

Kila hesabu ya nishati huanza kwa kuchagua mfumo, kwa kawaida kemikali zinazoitikia. Kila kitu kingine ni mazingira, ambayo katika kalorimita humaanisha hasa maji au myeyusho na chombo. Nishati inaweza kuvuka mpaka kama joto, q, au kama kazi, w, na badiliko la nishati ya ndani ya mfumo ni ΔU = q + w.

Enthalpi, H = U + PV, imefafanuliwa ili badiliko lake lilingane na joto linalobadilishwa katika shinikizo lisilobadilika wakati kazi pekee ni kazi ya upanuzi: ΔH = q_p. Kwa kuwa kemia nyingi ya benchi hutokea katika shinikizo la angahewa lisilobadilika kwa takriban, wanakemia huorodhesha enthalpi badala ya nishati ya ndani.

Kanuni za ishara kwa joto na enthalpi

Ishara daima huandikwa kutoka kwa mtazamo wa mfumo. Joto linaloingia kwenye mfumo ni chanya; joto linalotoka ni hasi. Athari ya kutoa joto hutoa joto kwa mazingira, kwa hivyo ΔH yake ni hasi na mazingira hupata joto. Athari ya kufyonza joto hufyonza joto, kwa hivyo ΔH yake ni chanya na mazingira hupoa.

Katika kalorimita unapima mazingira, si athari. Kama maji yanapata joto, maji yalipata joto, na athari ilipoteza kiasi hicho hasa. Hii inatoa uhusiano mkuu wa kalorimetri: q_reaction = −q_surroundings.

Uwezo wa joto na mlinganyo q = mcΔT

Joto linalohitajika kubadilisha joto la dutu ni q = mcΔT, ambapo m ni uzito, c ni joto mahususi (joto linalohitajika kupasha gramu moja kwa nyuzi moja), na ΔT = T_final − T_initial. Badiliko la nyuzi moja Selsiasi ni sawa na badiliko la kelvini moja, kwa hivyo ΔT ina thamani ile ile katika kipimo chochote. Joto mahususi linalotumika hapa chini linatoka OpenStax Chemistry 2e Jedwali 5.1, lililopimwa karibu na 25 °C; kwa maji ya kimiminika, c = 4.184 J/(g·°C).

Mfano uliotatuliwa 1. Ni joto kiasi gani huinua kizuizi cha silikoni cha 310.0 g kutoka 24.5 °C hadi 160.0 °C? Joto mahususi la silikoni ni 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, au 29.9 kJ. Joto mahususi lina tarakimu tatu muhimu, kwa hivyo jibu pia.

Mfano uliotatuliwa 2. Kizuizi cha risasi cha 450.0 g katika 88.0 °C kinawekwa katika 60.0 g za maji katika 20.5 °C kwenye kikombe cha povu. Joto mahususi la risasi ni 0.130 J/(g·°C), na la maji ni thamani iliyotolewa hapo juu. Joto lililopotezwa na risasi ni sawa na joto lililopatikana na maji, kwa hivyo q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, ambapo kila kigawo ni uzito mara joto mahususi. Kutatua, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Ukaguzi: maji hupata takriban 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, na risasi hupoteza takriban 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. Joto la maji hubadilika kidogo zaidi sana kuliko la risasi kwa sababu uwezo wake wa joto ni zaidi ya mara nne.

Kalorimetri ya kikombe cha kahawa katika shinikizo lisilobadilika

Kalorimita ya kikombe cha kahawa ni kikombe kilichowekewa kinga ya joto kilicho wazi kwa hewa, kwa hivyo mchakato hutokea katika shinikizo lisilobadilika na joto lililopimwa linatoa ΔH moja kwa moja. Kwa miyeyusho myepesi ya maji, dhana za kawaida ni kwamba myeyusho una msongamano na joto mahususi la maji na kwamba kikombe hufyonza joto kidogo sana kisichozingatiwa.

Mfano uliotatuliwa 3. 60.0 mL za asidi ya nitriki ya 0.800 mol/L katika 21.42 °C zinachanganywa na 60.0 mL za hidroksidi ya potasiamu ya 0.800 mol/L katika joto lile lile. Mchanganyiko unafikia 26.75 °C. Pata ΔH kwa kila mole ya maji yaliyoundwa. Uzito wa myeyusho: 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. Kwa hivyo q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Mole za maji yaliyoundwa: kila myeyusho unatoa 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, na athari H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) ni 1:1, kwa hivyo 0.0480 mol za maji huundwa. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Kama ukaguzi, enthalpi sanifu za uundaji kutoka OpenStax Kiambatisho G zinatoa −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol kwa athari ile ile halisi, kwa kuchukua ΔH°f ya H⁺(aq) kuwa sifuri kwa mkataba.

Kalorimetri ya bomu na pengo kati ya ΔU na ΔH

Mwako hupimwa katika kalorimita ya bomu, chombo cha chuma kilichofungwa katika bafu la maji. Kwa kuwa ujazo umewekwa, hakuna kazi ya upanuzi inayofanywa na joto lililopimwa ni ΔU, si ΔH. Kifaa kizima hupimwa kama kizio kimoja, kikitoa konstanti ya kalorimita C_cal kwa kJ/°C, kwa hivyo q = C_cal × ΔT bila uzito au joto mahususi tofauti.

Mfano uliotatuliwa 4. Kuchoma 0.5000 g za benzini ya kimiminika, C₆H₆, katika kalorimita yenye C_cal = 10.25 kJ/°C huinua joto kwa 2.038 °C. Kwa uzito wa kawaida wa atomi wa IUPAC uliozungushwa hadi desimali mbili (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, kwa hivyo n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, kwa hivyo ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, kwa tarakimu nne muhimu kwa sababu kila thamani iliyopimwa ina nne.

Kubadilisha kuwa enthalpi, tumia ΔH = ΔU + Δn_gas RT. Katika C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), mole za gesi hushuka kutoka 7.5 hadi 6, kwa hivyo Δn_gas = −1.5 na marekebisho ni (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, ikilingana na −3267.7 kJ/mol iliyopatikana kutoka kwa enthalpi za uundaji za Kiambatisho G. Marekebisho hukua athari inapotengeneza au kutumia mole nyingi za gesi.

Kusoma na kukuza milinganyo ya kemia ya joto

Mlinganyo wa kemia ya joto unaambatisha ΔH kwa athari hasa kama ilivyoandikwa. Ongeza vigawo mara mbili na ΔH inaongezeka mara mbili; geuza athari na ishara inapinduka. Hali za kimwili ni muhimu: kuunda maji ya kimiminika hutoa joto zaidi kuliko kuunda mvuke wa maji, kwa sababu kufupisha mvuke wenyewe hutoa joto.

Kupata joto kwa kiasi fulani cha dutu, badilisha kuwa mole na utumie ΔH kwa kila mole ya athari kama kigezo cha ubadilishaji. Kuchoma 12.5 g za benzini, kwa ΔH = −3267.7 kJ kwa kila mole ya benzini, hutoa (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ. Iandike kama q = −523 kJ kwa athari, au kama 523 kJ za joto zilizotolewa.

Makosa ya kalorimetri yanayopindua ishara au kupoteza joto

Hesabu ya kalorimetri ni fupi, kwa hivyo makosa mengi ni ya dhana.

Ukaguzi wa mwisho wa kutegemewa ni wa kimwili: kama maji yalipata joto, athari lazima iwe na ΔH hasi.

• Alama ya kutoa iliyokosekana: joto la mazingira lilipanda, kwa hivyo q_reaction ni hasi. Kuripoti +55.8 kJ/mol kwa kutuliza kulikopasha maji joto ni kosa la ishara.
• Uzito usio sahihi: katika kalorimetri ya myeyusho, tumia uzito wa myeyusho mzima, si kiyeyushwa tu wala moja ya ujazo mbili zilizochanganywa.
• Kwa gramu dhidi ya kwa mole: gawanya kwa mole za spishi iliyobainishwa kupata kJ/mol, na useme ni spishi ipi.
• Kuchanganya joule na kilojoule: q kutoka mcΔT iko katika joule; badilisha kabla ya kugawanya katika jibu la kJ/mol.
• Kuchukulia data za bomu kama ΔH: bomu lililofungwa linatoa ΔU; tumia marekebisho ya Δn_gas RT wakati ΔH inahitajika.