Entalpi ve Kalorimetri: Bir Tepkimenin Isısını Ölçme

Sistem ile çevre arasındaki sınırı çizme

Her enerji hesabı, genellikle tepkimeye giren kimyasallar olan bir sistem seçmekle başlar. Geri kalan her şey çevredir; bir kalorimetrede bu esas olarak su veya çözelti ile kaptır. Enerji sınırı ısı, q, veya iş, w, olarak geçebilir ve sistemin iç enerjisindeki değişim ΔU = q + w'dur.

Entalpi, H = U + PV, tek iş genleşme işi olduğunda değişimi sabit basınçta alışverişi yapılan ısıya eşit olacak şekilde tanımlanır: ΔH = q_p. Tezgâh kimyasının çoğu kabaca sabit atmosfer basıncında gerçekleştiği için kimyacılar iç enerjiyi değil entalpiyi tablolaştırır.

Isı ve entalpi için işaret kuralları

İşaretler her zaman sistemin bakış açısından yazılır. Sisteme akan ısı pozitiftir; dışarı akan ısı negatiftir. Ekzotermik bir tepkime çevreye ısı verir; bu yüzden ΔH'ı negatiftir ve çevre ısınır. Endotermik bir tepkime ısı soğurur; bu yüzden ΔH'ı pozitiftir ve çevre soğur.

Bir kalorimetrede tepkimeyi değil, çevreyi ölçersiniz. Su ısınıyorsa su ısı kazanmıştır ve tepkime tam olarak o kadarını kaybetmiştir. Bu, kalorimetrinin temel ilişkisini verir: q_reaction = −q_surroundings.

Isı kapasitesi ve q = mcΔT denklemi

Bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için gereken ısı q = mcΔT'dir; burada m kütle, c öz ısı (bir gramı bir derece ısıtmak için gereken ısı) ve ΔT = T_final − T_initial'dır. Bir derece Celsius'luk bir değişim bir kelvinlik bir değişime eşittir; bu yüzden ΔT her iki ölçekte de aynı değere sahiptir. Aşağıda kullanılan öz ısılar, 25 °C civarında ölçülmüş olan OpenStax Chemistry 2e Tablo 5.1'den gelir; sıvı su için c = 4.184 J/(g·°C).

Çözümlü örnek 1. 310.0 g'lık bir silikon bloğunu 24.5 °C'den 160.0 °C'ye çıkarmak için ne kadar ısı gerekir? Silikonun öz ısısı 0.712 J/(g·°C)'dir. ΔT = 160.0 − 24.5 = 135.5 °C. q = (310.0 g)(0.712 J/(g·°C))(135.5 °C) = 2.99 × 10⁴ J, yani 29.9 kJ. Öz ısı üç anlamlı rakama sahiptir; cevap da öyle.

Çözümlü örnek 2. 88.0 °C'deki 450.0 g'lık bir kurşun blok, bir köpük fincandaki 20.5 °C'de 60.0 g suya konur. Kurşunun öz ısısı 0.130 J/(g·°C)'dir ve suyunki yukarıda verilen değerdir. Kurşunun kaybettiği ısı suyun kazandığı ısıya eşittir; dolayısıyla q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, burada her katsayı kütle çarpı öz ısıdır. Çözerek T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Kontrol: su yaklaşık 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ kazanır ve kurşun yaklaşık 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ kaybeder. Suyun sıcaklığı kurşununkinden çok daha az değişir, çünkü ısı kapasitesi dört kattan fazla büyüktür.

Sabit basınçta kahve fincanı kalorimetrisi

Kahve fincanı kalorimetresi havaya açık yalıtılmış bir fincandır; bu yüzden süreç sabit basınçta gerçekleşir ve ölçülen ısı doğrudan ΔH'ı verir. Seyreltik sulu çözeltiler için olağan varsayımlar, çözeltinin suyun yoğunluğuna ve öz ısısına sahip olduğu ve fincanın ihmal edilebilir ısı soğurduğudur.

Çözümlü örnek 3. 21.42 °C'deki 60.0 mL 0.800 mol/L nitrik asit, aynı sıcaklıktaki 60.0 mL 0.800 mol/L potasyum hidroksitle karıştırılır. Karışım 26.75 °C'ye ulaşır. Oluşan mol su başına ΔH'ı bulun. Çözelti kütlesi: 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. Dolayısıyla q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Oluşan su molü: her çözelti 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol sağlar ve H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) tepkimesi 1:1'dir; bu yüzden 0.0480 mol su oluşur. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Kontrol olarak, OpenStax Ek G'deki standart oluşum entalpileri, H⁺(aq)'un ΔH°f değeri gelenek gereği sıfır alınarak, aynı net tepkime için −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol verir.

Bomba kalorimetrisi ve ΔU ile ΔH arasındaki fark

Yanma, su banyosundaki kapalı bir çelik kap olan bomba kalorimetresinde ölçülür. Hacim sabit olduğundan genleşme işi yapılmaz ve ölçülen ısı ΔH değil ΔU'dur. Bütün düzenek bir birim olarak kalibre edilir ve kJ/°C cinsinden bir kalorimetre sabiti C_cal verir; bu yüzden q = C_cal × ΔT olup ayrı bir kütle veya öz ısı yoktur.

Çözümlü örnek 4. C_cal = 10.25 kJ/°C olan bir kalorimetrede 0.5000 g sıvı benzen, C₆H₆, yakmak sıcaklığı 2.038 °C artırır. İki ondalık basamağa yuvarlanmış IUPAC standart atom kütleleriyle (C 12.01, H 1.01) M = 78.12 g/mol'dür; dolayısıyla n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ; dolayısıyla ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol; ölçülen her değer dört anlamlı rakama sahip olduğundan dört anlamlı rakamla.

Entalpiye dönüştürmek için ΔH = ΔU + Δn_gas RT kullanın. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) tepkimesinde gaz molleri 7.5'ten 6'ya düşer; dolayısıyla Δn_gas = −1.5 ve düzeltme (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol'dür. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol; Ek G oluşum entalpilerinden elde edilen −3267.7 kJ/mol ile tutarlıdır. Düzeltme, bir tepkime çok sayıda mol gaz oluşturduğunda veya tükettiğinde büyür.

Termokimyasal denklemleri okuma ve ölçekleme

Termokimyasal bir denklem, ΔH'ı tepkimeye tam olarak yazıldığı gibi bağlar. Katsayıları iki katına çıkarın, ΔH iki katına çıkar; tepkimeyi tersine çevirin, işaret döner. Fiziksel hâller önemlidir: sıvı su oluşturmak su buharı oluşturmaktan daha çok ısı açığa çıkarır, çünkü yoğuşmanın kendisi ekzotermiktir.

Belirli bir madde miktarı için ısıyı bulmak için molleri hesaplayın ve tepkime molü başına ΔH'ı dönüşüm çarpanı olarak kullanın. ΔH = benzen molü başına −3267.7 kJ olan 12.5 g benzeni yakmak (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ açığa çıkarır. Bunu tepkime için q = −523 kJ olarak veya açığa çıkan 523 kJ ısı olarak yazın.

İşaretleri ters çeviren veya ısı kaybettiren kalorimetri hataları

Kalorimetri aritmetiği kısadır; bu yüzden hataların çoğu kavramsaldır.

Güvenilir bir son kontrol fizikseldir: su ısındıysa tepkimenin ΔH'ı negatif olmalıdır.

• Eksik eksi işareti: çevrenin sıcaklığı yükseldi; bu yüzden q_reaction negatiftir. Suyu ısıtan bir nötralleşme için +55.8 kJ/mol bildirmek bir işaret hatasıdır.
• Yanlış kütle: çözelti kalorimetrisinde yalnızca çözünenin veya karıştırılan iki hacimden birinin değil, tüm çözeltinin kütlesini kullanın.
• Gram başına ve mol başına karışıklığı: kJ/mol elde etmek için belirtilen türün molüne bölün ve hangi tür olduğunu söyleyin.
• Joule ile kilojoule'ü karıştırmak: mcΔT'den gelen q joule cinsindendir; kJ/mol cevabına bölmeden önce dönüştürün.
• Bomba verisini ΔH saymak: kapalı bir bomba ΔU verir; ΔH gerektiğinde Δn_gas RT düzeltmesini uygulayın.