Entalpiya va kalorimetriya: reaksiya issiqligini o'lchash

Sistema va atrof orasidagi chegarani chizish

Har bir energiya hisob-kitobi sistemani, odatda reaksiyaga kirishuvchi kimyoviy moddalarni, tanlashdan boshlanadi. Qolgan hamma narsa atrof, kalorimetrda bu asosan suv yoki eritma va idishni anglatadi. Energiya chegarani issiqlik q yoki ish w sifatida kesib o'tishi mumkin va sistemaning ichki energiyasi o'zgarishi ΔU = q + w.

Entalpiya H = U + PV shunday ta'riflanganki, yagona ish kengayish ishi bo'lganda uning o'zgarishi doimiy bosimda almashinilgan issiqlikka teng: ΔH = q_p. Laboratoriya kimyosining ko'pi taxminan doimiy atmosfera bosimida sodir bo'lgani uchun kimyogarlar ichki energiyani emas, entalpiyani jadvalga kiritadi.

Issiqlik va entalpiya uchun ishora kelishuvlari

Ishoralar doim sistema nuqtai nazaridan yoziladi. Sistemaga oqayotgan issiqlik musbat; chiqayotgani manfiy. Ekzotermik reaksiya atrofga issiqlik ajratadi, shuning uchun uning ΔH i manfiy va atrof isiydi. Endotermik reaksiya issiqlik yutadi, shuning uchun uning ΔH i musbat va atrof soviydi.

Kalorimetrda reaksiyani emas, atrofni o'lchaysiz. Suv isisa, suv issiqlik oldi va reaksiya aynan shuncha yo'qotdi. Bu kalorimetriyaning markaziy munosabatini beradi: q_reaction = −q_surroundings.

Issiqlik sig'imi va q = mcΔT tenglamasi

Moddaning haroratini o'zgartirish uchun kerak bo'lgan issiqlik q = mcΔT, bunda m — massa, c — solishtirma issiqlik sig'imi (bir grammni bir darajaga isitish uchun kerak issiqlik), ΔT = T_final − T_initial. Bir daraja Selsiy o'zgarishi bir kelvin o'zgarishiga teng, shuning uchun ΔT har ikki shkalada bir xil qiymatga ega. Quyida ishlatiladigan solishtirma issiqlik sig'imlari OpenStax Chemistry 2e ning 5.1-jadvalidan, 25 °C ga yaqin o'lchangan; suyuq suv uchun c = 4.184 J/(g·°C).

1-yechilgan misol. 310.0 g kremniy blokini 24.5 °C dan 160.0 °C gacha isitish uchun qancha issiqlik kerak? Kremniyning solishtirma issiqlik sig'imi 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, ya'ni 29.9 kJ. Solishtirma issiqlik sig'imida uchta muhim raqam bor, shuning uchun javobda ham shuncha.

2-yechilgan misol. 88.0 °C dagi 450.0 g qo'rg'oshin bloki ko'pikli stakandagi 20.5 °C dagi 60.0 g suvga solinadi. Qo'rg'oshinning solishtirma issiqlik sig'imi 0.130 J/(g·°C), suvniki yuqorida berilgan qiymat. Qo'rg'oshin yo'qotgan issiqlik suv olgan issiqlikka teng, shuning uchun q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, bunda har bir koeffitsiyent massa ko'paytirilgan solishtirma issiqlik sig'imi. Yechish: T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Tekshirish: suv taxminan 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ oladi, qo'rg'oshin esa taxminan 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ yo'qotadi. Suvning harorati qo'rg'oshinnikiga qaraganda ancha kam o'zgaradi, chunki uning issiqlik sig'imi to'rt baravardan ko'p katta.

Doimiy bosimda qahva stakani kalorimetriyasi

Qahva stakani kalorimetri havoga ochiq izolyatsiyalangan stakan, shuning uchun jarayon doimiy bosimda sodir bo'ladi va o'lchangan issiqlik bevosita ΔH ni beradi. Suyultirilgan suvli eritmalar uchun odatiy farazlar: eritma suvning zichligi va solishtirma issiqlik sig'imiga ega va stakan ahamiyatsiz issiqlik yutadi.

3-yechilgan misol. 21.42 °C dagi 60.0 mL 0.800 mol/L nitrat kislota xuddi shu haroratdagi 60.0 mL 0.800 mol/L kaliy gidroksid bilan aralashtiriladi. Aralashma 26.75 °C ga yetadi. Hosil bo'lgan bir mol suv uchun ΔH ni toping. Eritma massasi: 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. Demak q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Hosil bo'lgan suv moli: har bir eritma 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol beradi va H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) reaksiyasi 1:1, shuning uchun 0.0480 mol suv hosil bo'ladi. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Tekshirish uchun, OpenStax G ilovasidagi standart hosil bo'lish entalpiyalari xuddi shu sof reaksiya uchun −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol ni beradi, kelishuvga ko'ra H⁺(aq) ning ΔH°f i nol deb olinadi.

Bomba kalorimetriyasi va ΔU bilan ΔH orasidagi farq

Yonish bomba kalorimetrida, suv hammomidagi yopiq po'lat idishda, o'lchanadi. Hajm qat'iy bo'lgani uchun kengayish ishi bajarilmaydi va o'lchangan issiqlik ΔH emas, ΔU. Butun qurilma yagona birlik sifatida kalibrlanadi va kJ/°C da kalorimetr doimiysi C_cal ni beradi, shuning uchun q = C_cal × ΔT, alohida massa yoki solishtirma issiqlik sig'imisiz.

4-yechilgan misol. C_cal = 10.25 kJ/°C bo'lgan kalorimetrda 0.5000 g suyuq benzol C₆H₆ ni yondirish haroratni 2.038 °C ga ko'taradi. IUPAC standart atom og'irliklarini ikki o'nli xonagacha yaxlitlab (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, shuning uchun n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, demak ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, to'rtta muhim raqam bilan, chunki har bir o'lchangan qiymatda to'rttadan bor.

Entalpiyaga o'zgartirish uchun ΔH = ΔU + Δn_gas RT dan foydalaning. C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l) da gaz moli 7.5 dan 6 ga tushadi, shuning uchun Δn_gas = −1.5 va tuzatma (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, bu G ilovasidagi hosil bo'lish entalpiyalaridan olingan −3267.7 kJ/mol ga mos. Reaksiya ko'p mol gaz hosil qilganda yoki sarflaganda tuzatma kattalashadi.

Termokimyoviy tenglamalarni o'qish va masshtablash

Termokimyoviy tenglama ΔH ni reaksiyaga aynan yozilganidek biriktiradi. Koeffitsiyentlarni ikki barobar oshiring, ΔH ham ikki barobar oshadi; reaksiyani teskari qiling, ishora o'zgaradi. Fizik holatlar muhim: suyuq suv hosil qilish suv bug'i hosil qilishdan ko'proq issiqlik ajratadi, chunki kondensatsiyaning o'zi ekzotermik.

Berilgan miqdordagi modda uchun issiqlikni topish uchun molga o'zgartiring va reaksiyaning har bir moliga to'g'ri keladigan ΔH ni o'tkazish koeffitsiyenti sifatida ishlating. Benzolning har bir moli uchun ΔH = −3267.7 kJ bilan 12.5 g benzolni yondirish (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ ajratadi. Buni reaksiya uchun q = −523 kJ deb yoki 523 kJ issiqlik ajratilgan deb yozing.

Ishoralarni teskari qiladigan yoki issiqlikni yo'qotadigan kalorimetriya xatolari

Kalorimetriya arifmetikasi qisqa, shuning uchun xatolarning ko'pi konseptual.

Ishonchli yakuniy tekshiruv jismoniy: suv isigan bo'lsa, reaksiyaning ΔH i manfiy bo'lishi kerak.

• Yetishmayotgan minus belgisi: atrof harorati ko'tarildi, shuning uchun q_reaction manfiy. Suvni isitgan neytrallanish uchun +55.8 kJ/mol deb yozish ishora xatosi.
• Noto'g'ri massa: eritma kalorimetriyasida butun eritmaning massasidan foydalaning, faqat erigan modda yoki aralashtirilgan ikki hajmdan birining massasidan emas.
• Gramm va mol: kJ/mol olish uchun ko'rsatilgan zarrachaning moliga bo'ling va qaysi zarracha ekanini ayting.
• Joul va kilojoulni aralashtirish: mcΔT dan olingan q joulda; kJ/mol javobiga bo'lishdan oldin o'zgartiring.
• Bomba ma'lumotlarini ΔH deb hisoblash: yopiq bomba ΔU ni beradi; ΔH kerak bo'lganda Δn_gas RT tuzatmasini qo'llang.