Enthalpy ngan Calorimetry: Pagsukod han Kainit han Reaksyon

Pagdrowing han utlanan tali han sistema ngan palibot

An kada kuwenta han enerhiya nagtitikang ha pagpili hin sistema, kasagaran an nagrereaksyon nga mga kemikal. An ngatanan nga iba amo an palibot, nga ha calorimeter nagkahulogan ngan kasagaran an tubig o solusyon ngan an lalagyan. An enerhiya puyde mag-agi ha utlanan sugad nga kainit, q, o sugad nga buhat, w, ngan an pagbag-o han internal nga enerhiya han sistema amo an ΔU = q + w.

An enthalpy, H = U + PV, gin-pasabot basi an pagbag-o hini pariho han kainit nga gin-ilisan ha pirmi nga presyon kun an buhat nga expansion la an buhat: ΔH = q_p. Tungod kay kadam-an nga kimika ha mesa nahitatabo ha hapit pirmi nga atmospherikong presyon, ginlilista han mga kimiko an enthalpy imbes han internal nga enerhiya.

Mga kombensyon han timaan para ha kainit ngan enthalpy

An mga timaan kanunay ginsusulat tikang ha panan-aw han sistema. An kainit nga nagagi ngadto ha sistema positibo; an kainit nga nagagawas negatibo. An exothermic nga reaksyon nagpapagawas hin kainit ngadto ha palibot, salit negatibo an ΔH hini ngan nag-iinit an palibot. An endothermic nga reaksyon nag-aabsorb hin kainit, salit positibo an ΔH hini ngan nalalamig an palibot.

Ha calorimeter, an palibot an imo gisukod, dire an reaksyon. Kun nag-init an tubig, nakakuha hin kainit an tubig, ngan eksakto nga hito an nawara han reaksyon. Ini naghahatag han sentral nga relasyon han calorimetry: q_reaction = −q_surroundings.

Heat capacity ngan an ekwasyon nga q = mcΔT

An kainit nga kinahanglan basi usbagon an temperatura han substansya amo an q = mcΔT, kun diin an m amo an masa, an c amo an specific heat (an kainit nga kinahanglan basi painiton an usa nga gramo hin usa nga degree), ngan an ΔT = T_final − T_initial. An pagbalhin nga usa nga degree Celsius pariho han pagbalhin nga usa nga kelvin, salit an ΔT may pariho nga bili ha bisan hain nga iskala. An mga specific heat nga gingagamit ha ubos tikang ha OpenStax Chemistry 2e Table 5.1, nga sinukat harapit ha 25 °C; para ha likido nga tubig, c = 4.184 J/(g·°C).

Halimbawa 1. Pira nga kainit an nagpapataas han 310.0 g nga bloke han silicon tikang ha 24.5 °C paingod ha 160.0 °C? An specific heat han silicon 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, o 29.9 kJ. An specific heat may tulo nga mahinungdanon nga mga digit, salit pariho liwat an tubag.

Halimbawa 2. An 450.0 g nga bloke han lead ha 88.0 °C ginbutang ha 60.0 g han tubig ha 20.5 °C ha foam nga tasa. An specific heat han lead 0.130 J/(g·°C), ngan an han tubig amo an bili nga gin-hatag ha ibabaw. An kainit nga nawara han lead pariho han kainit nga nakuha han tubig, salit q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, kun diin an kada koepisyente masa ginmultiplikar ha specific heat. Pagsolbar, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Pagsusi: an tubig nakakuha hin mga 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, ngan an lead nawawara hin mga 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. An temperatura han tubig mas gutiay gud an balhin kay ha han lead tungod kay an heat capacity hini labaw ha upat ka beses nga mas dako.

Coffee-cup nga calorimetry ha pirmi nga presyon

An coffee-cup nga calorimeter usa nga insulated nga tasa nga bukas ha hangin, salit an proseso nahitatabo ha pirmi nga presyon ngan an sinukat nga kainit naghahatag han ΔH direkta. Para ha gin-palabnaw nga aqueous nga mga solusyon, an kasagaran nga mga pagpasugad amo nga an solusyon may densidad ngan specific heat han tubig ngan nga an tasa nag-aabsorb hin dili igo nga kainit.

Halimbawa 3. An 60.0 mL han 0.800 mol/L nga nitric acid ha 21.42 °C ginsagol ha 60.0 mL han 0.800 mol/L nga potassium hydroxide ha pariho nga temperatura. An sagol umabot ha 26.75 °C. Pangitaa an ΔH kada mole han tubig nga nahimo. Masa han solusyon: 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. Salit q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Mole han tubig nga nahimo: an kada solusyon naghahatag hin 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, ngan an reaksyon nga H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) 1:1, salit 0.0480 mol han tubig an nahihimo. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Sugad nga pagsusi, an standard nga mga enthalpy han pormasyon tikang ha OpenStax Appendix G naghahatag hin −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol para ha pariho nga net nga reaksyon, nga an ΔH°f han H⁺(aq) gin-tumon nga sero sumala ha kombensyon.

Bomb calorimetry ngan an gutiay nga kalainan tali han ΔU ngan ΔH

An pagsunog ginsusukod ha bomb calorimeter, usa nga sarado nga steel nga vessel ha paligo nga tubig. Tungod kay pirmi an bolyum, waray buhat nga expansion nga ginbubuhat ngan an sinukat nga kainit amo an ΔU, dire ΔH. An bug-os nga aparato giko-calibrate sugad hin yunit, nga naghahatag hin calorimeter constant nga C_cal ha kJ/°C, salit q = C_cal × ΔT nga waray bulag nga masa o specific heat.

Halimbawa 4. An pagsunog hin 0.5000 g han likido nga benzene, C₆H₆, ha calorimeter nga may C_cal = 10.25 kJ/°C nagtataas han temperatura hin 2.038 °C. Gamit an IUPAC nga standard nga atomic weight nga gin-round hasta duha nga desimal (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, salit n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, salit ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, hin upat nga mahinungdanon nga mga digit tungod kay an kada sinukat nga bili may upat.

Basi i-convert ngadto ha enthalpy, gamita an ΔH = ΔU + Δn_gas RT. Ha C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), an mole han gas nag-uubos tikang ha 7.5 paingod ha 6, salit Δn_gas = −1.5 ngan an pagtadong (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, nag-uuyon ha −3267.7 kJ/mol nga nakuha tikang ha mga enthalpy han pormasyon ha Appendix G. An pagtadong nagdako kun an reaksyon naghihimo o nagkokonsumo hin damo nga mole han gas.

Pagbasa ngan pag-scale han thermochemical nga mga ekwasyon

An thermochemical nga ekwasyon nagbubugkos han ΔH ha reaksyon eksakto sugad han gin-sulat. Doblea an mga koepisyente ngan nag-uudoble an ΔH; baliska an reaksyon ngan nababaliskad an timaan. Mahinungdanon an mga pisikal nga state: an pagporma hin likido nga tubig nagpapagawas hin mas damo nga kainit kay ha pagporma hin alisngaw han tubig, tungod kay an condensation mismo exothermic.

Basi pangitaon an kainit para ha hatag nga kadamo han substansya, i-convert ngadto ha mole ngan gamita an ΔH kada mole han reaksyon sugad nga conversion factor. An pagsunog hin 12.5 g han benzene, nga may ΔH = −3267.7 kJ kada mole han benzene, nagpapagawas hin (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ. Isulat ito sugad nga q = −523 kJ para ha reaksyon, o sugad nga 523 kJ nga kainit nga nagawas.

Mga sayop ha calorimetry nga nagbabaliskad han timaan o nawawara an kainit

Hamubo an aritmetika han calorimetry, salit kadam-an han sayop konseptwal.

Kasaligan nga katapusan nga pagsusi amo an pisikal: kun nag-init an tubig, angay negatibo an ΔH han reaksyon.

• Nawawarang minus nga timaan: an temperatura han palibot nagtaas, salit negatibo an q_reaction. An pag-report hin +55.8 kJ/mol para ha neutralization nga nagpa-init han tubig sayop ha timaan.
• Sayop nga masa: ha calorimetry han solusyon, gamita an masa han bug-os nga solusyon, dire la han solute o han usa han duha nga ginsagol nga bolyum.
• Kada gramo kontra kada mole: bahina pinaagi han mole han espesipiko nga species basi makuha an kJ/mol, ngan sabta kun hain nga species.
• Pagsagol han joule ngan kilojoule: an q tikang ha mcΔT ha joule; i-convert antes ibahin ngadto ha tubag nga kJ/mol.
• Pagtrato han datos han bomb sugad nga ΔH: an sarado nga bomb naghahatag han ΔU; ipadapat an pagtadong nga Δn_gas RT kun ΔH an kinahanglan.