ఎంథాల్పీ, కెలోరీమితి: చర్యా ఉష్ణాన్ని కొలవడం

వ్యవస్థ, పరిసరాల మధ్య సరిహద్దును గీయడం

ప్రతి శక్తి లెక్క ఒక వ్యవస్థను ఎంచుకోవడంతో మొదలవుతుంది, సాధారణంగా చర్య జరిపే రసాయనాలు. మిగతా ప్రతిదీ పరిసరాలు, కెలోరీమీటర్‌లో అంటే ప్రధానంగా నీరు లేదా ద్రావణం, పాత్ర. శక్తి ఉష్ణంగా, q, లేదా పనిగా, w, సరిహద్దును దాటవచ్చు, వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి మార్పు ΔU = q + w.

ఎంథాల్పీ, H = U + PV, ఏకైక పని వ్యాకోచ పని అయినప్పుడు స్థిర పీడనం వద్ద మార్పిడి అయిన ఉష్ణానికి దాని మార్పు సమానమయ్యేలా నిర్వచించబడింది: ΔH = q_p. చాలా ప్రయోగశాల రసాయనశాస్త్రం సుమారు స్థిర వాతావరణ పీడనం వద్ద జరుగుతుంది కాబట్టి, రసాయనశాస్త్రజ్ఞులు అంతర్గత శక్తికి బదులు ఎంథాల్పీని పట్టిక చేస్తారు.

ఉష్ణం, ఎంథాల్పీకి గుర్తు సంప్రదాయాలు

గుర్తులను ఎల్లప్పుడూ వ్యవస్థ దృష్టికోణం నుండి రాస్తారు. వ్యవస్థలోకి ప్రవహించే ఉష్ణం ధనాత్మకం; బయటకు ప్రవహించేది ఋణాత్మకం. ఉష్ణమోచక చర్య పరిసరాలకు ఉష్ణాన్ని విడుదల చేస్తుంది, కాబట్టి దాని ΔH ఋణాత్మకం, పరిసరాలు వేడెక్కుతాయి. ఉష్ణగ్రాహక చర్య ఉష్ణాన్ని గ్రహిస్తుంది, కాబట్టి దాని ΔH ధనాత్మకం, పరిసరాలు చల్లబడతాయి.

కెలోరీమీటర్‌లో మీరు చర్యను కాక, పరిసరాలను కొలుస్తారు. నీరు వేడెక్కితే, నీరు ఉష్ణాన్ని పొందింది, చర్య సరిగ్గా అంత కోల్పోయింది. ఇది కెలోరీమితి కేంద్ర సంబంధాన్ని ఇస్తుంది: q_reaction = −q_surroundings.

ఉష్ణ ధారణ, సమీకరణం q = mcΔT

ఒక పదార్థం ఉష్ణోగ్రతను మార్చడానికి అవసరమైన ఉష్ణం q = mcΔT, ఇక్కడ m ద్రవ్యరాశి, c విశిష్టోష్ణం (ఒక గ్రాముకు ఒక డిగ్రీ వేడి చేయడానికి అవసరమైన ఉష్ణం), ΔT = T_final − T_initial. ఒక డిగ్రీ సెల్సియస్ మార్పు ఒక కెల్విన్ మార్పుకు సమానం, కాబట్టి ΔT కు ఏ మానంలోనైనా అదే విలువ ఉంటుంది. కింద ఉపయోగించిన విశిష్టోష్ణాలు OpenStax Chemistry 2e పట్టిక 5.1 నుండి, సుమారు 25 °C వద్ద కొలిచినవి; ద్రవ నీటికి, c = 4.184 J/(g·°C).

సాధన ఉదాహరణ 1. 310.0 g సిలికాన్ దిమ్మెను 24.5 °C నుండి 160.0 °C కు పెంచడానికి ఎంత ఉష్ణం కావాలి? సిలికాన్ విశిష్టోష్ణం 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, లేదా 29.9 kJ. విశిష్టోష్ణానికి మూడు సార్థక అంకెలు ఉన్నాయి, కాబట్టి సమాధానానికీ ఉన్నాయి.

సాధన ఉదాహరణ 2. 88.0 °C వద్ద 450.0 g లెడ్ దిమ్మెను ఫోమ్ కప్పులో 20.5 °C వద్ద 60.0 g నీటిలో ఉంచారు. లెడ్ విశిష్టోష్ణం 0.130 J/(g·°C), నీటిది పైన ఇచ్చిన విలువ. లెడ్ కోల్పోయిన ఉష్ణం నీరు పొందిన ఉష్ణానికి సమానం, కాబట్టి q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, ఇక్కడ ప్రతి గుణకం ద్రవ్యరాశి గుణ విశిష్టోష్ణం. సాధిస్తే, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. తనిఖీ: నీరు సుమారు 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ పొందుతుంది, లెడ్ సుమారు 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ కోల్పోతుంది. నీటి ఉష్ణ ధారణ నాలుగు రెట్లకు పైగా ఎక్కువ కాబట్టి నీటి ఉష్ణోగ్రత లెడ్ కంటే చాలా తక్కువగా మారుతుంది.

స్థిర పీడనం వద్ద కాఫీ-కప్ కెలోరీమితి

కాఫీ-కప్ కెలోరీమీటర్ గాలికి తెరిచి ఉన్న ఉష్ణనిరోధక కప్పు, కాబట్టి ప్రక్రియ స్థిర పీడనం వద్ద జరుగుతుంది, కొలిచిన ఉష్ణం నేరుగా ΔH ను ఇస్తుంది. విలీన జలీయ ద్రావణాలకు, సాధారణ ఊహలు: ద్రావణానికి నీటి సాంద్రత, విశిష్టోష్ణం ఉన్నాయి, కప్పు ఉష్ణాన్ని అతి స్వల్పంగా మాత్రమే గ్రహిస్తుంది.

సాధన ఉదాహరణ 3. 21.42 °C వద్ద 0.800 mol/L నైట్రిక్ ఆమ్లం 60.0 mL ను అదే ఉష్ణోగ్రత వద్ద 0.800 mol/L పొటాషియం హైడ్రాక్సైడ్ 60.0 mL తో కలుపుతారు. మిశ్రమం 26.75 °C కు చేరుతుంది. ఏర్పడిన నీటి మోల్‌కు ΔH కనుగొనండి. ద్రావణ ద్రవ్యరాశి: 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. కాబట్టి q_reaction = −2.68 × 10³ J.

ఏర్పడిన నీటి మోల్‌లు: ప్రతి ద్రావణం 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol ఇస్తుంది, H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) చర్య 1:1, కాబట్టి 0.0480 mol నీరు ఏర్పడుతుంది. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. తనిఖీగా, సంప్రదాయం ప్రకారం H⁺(aq) ΔH°f ను సున్నాగా తీసుకుని, OpenStax అనుబంధం G నుండి ప్రామాణిక ఏర్పడే ఎంథాల్పీలు అదే నికర చర్యకు −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol ఇస్తాయి.

బాంబ్ కెలోరీమితి, ΔU, ΔH మధ్య అంతరం

దహనాన్ని బాంబ్ కెలోరీమీటర్‌లో, అంటే నీటి స్నానంలో మూసివేసిన ఉక్కు పాత్రలో, కొలుస్తారు. ఘనపరిమాణం స్థిరమైనందున వ్యాకోచ పని జరగదు, కొలిచిన ఉష్ణం ΔH కాక ΔU. మొత్తం ఉపకరణం ఒక యూనిట్‌గా క్రమాంకనం చేయబడుతుంది, కెలోరీమీటర్ స్థిరాంకం C_cal ను kJ/°C లో ఇస్తుంది, కాబట్టి q = C_cal × ΔT, విడిగా ద్రవ్యరాశి లేదా విశిష్టోష్ణం లేకుండా.

సాధన ఉదాహరణ 4. C_cal = 10.25 kJ/°C గల కెలోరీమీటర్‌లో 0.5000 g ద్రవ బెంజీన్, C₆H₆, ను దహనం చేస్తే ఉష్ణోగ్రత 2.038 °C పెరుగుతుంది. రెండు దశాంశాలకు పూర్తి చేసిన IUPAC ప్రామాణిక పరమాణు భారాలతో (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, కాబట్టి n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, కాబట్టి ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, ప్రతి కొలిచిన విలువకు నాలుగు ఉన్నందున నాలుగు సార్థక అంకెలతో.

ఎంథాల్పీకి మార్చడానికి, ΔH = ΔU + Δn_gas RT ఉపయోగించండి. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) లో, వాయు మోల్‌లు 7.5 నుండి 6 కు తగ్గుతాయి, కాబట్టి Δn_gas = −1.5, సవరణ (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, అనుబంధం G ఏర్పడే ఎంథాల్పీల నుండి పొందిన −3267.7 kJ/mol తో సరిపోతుంది. చర్య అనేక మోల్‌ల వాయువును ఏర్పరిచినప్పుడు లేదా వినియోగించినప్పుడు సవరణ పెరుగుతుంది.

ఉష్ణరసాయన సమీకరణాలను చదవడం, స్కేల్ చేయడం

ఉష్ణరసాయన సమీకరణం ΔH ను చర్యకు రాసినట్లుగానే జతచేస్తుంది. గుణకాలను రెట్టింపు చేస్తే ΔH రెట్టింపవుతుంది; చర్యను తిప్పితే గుర్తు మారుతుంది. భౌతిక స్థితులు ముఖ్యం: ద్రవ నీరు ఏర్పడటం నీటి ఆవిరి ఏర్పడటం కంటే ఎక్కువ ఉష్ణాన్ని విడుదల చేస్తుంది, ఎందుకంటే ఘనీభవనమే ఉష్ణమోచకం.

ఇచ్చిన పదార్థ పరిమాణానికి ఉష్ణాన్ని కనుగొనడానికి, మోల్‌లకు మార్చి, చర్య మోల్‌కు ΔH ను మార్పిడి కారకంగా ఉపయోగించండి. బెంజీన్ మోల్‌కు ΔH = −3267.7 kJ తో 12.5 g బెంజీన్‌ను దహనం చేస్తే (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ విడుదలవుతుంది. దాన్ని చర్యకు q = −523 kJ గా, లేదా 523 kJ ఉష్ణం విడుదలైందని రాయండి.

గుర్తులను తిప్పే లేదా ఉష్ణాన్ని కోల్పోయే కెలోరీమితి తప్పులు

కెలోరీమితి అంకగణితం చిన్నది, కాబట్టి చాలా తప్పులు భావనాపరమైనవి.

నమ్మదగిన చివరి తనిఖీ భౌతికమైనది: నీరు వేడెక్కితే, చర్యకు ఋణాత్మక ΔH ఉండాలి.

• తప్పిపోయిన మైనస్ గుర్తు: పరిసరాల ఉష్ణోగ్రత పెరిగింది, కాబట్టి q_reaction ఋణాత్మకం. నీటిని వేడెక్కించిన తటస్థీకరణకు +55.8 kJ/mol అని చెప్పడం గుర్తు తప్పు.
• తప్పు ద్రవ్యరాశి: ద్రావణ కెలోరీమితిలో, ద్రావితం లేదా కలిపిన రెండు ఘనపరిమాణాలలో ఒకటి కాకుండా, మొత్తం ద్రావణం ద్రవ్యరాశిని ఉపయోగించండి.
• గ్రాముకు వర్సెస్ మోల్‌కు: kJ/mol పొందడానికి పేర్కొన్న జాతి మోల్‌లతో భాగించి, ఏ జాతో చెప్పండి.
• జౌల్‌లు, కిలోజౌల్‌లను కలపడం: mcΔT నుండి వచ్చే q జౌల్‌లలో ఉంటుంది; kJ/mol సమాధానంలోకి భాగించే ముందు మార్చండి.
• బాంబ్ డేటాను ΔH గా పరిగణించడం: మూసివేసిన బాంబ్ ΔU ను ఇస్తుంది; ΔH అవసరమైనప్పుడు Δn_gas RT సవరణను వర్తింపజేయండి.