Èntálpì àti Kálórímẹ́tírì: Wíwọn Ooru Ìhùwàpọ̀ Kan

Yíya ààlà láàrin ètò àti àyíká

Gbogbo ìṣirò agbára bẹ̀rẹ̀ nípa yíyan ètò kan, tí ó sábà jẹ́ àwọn kẹ́místrì tó ń hùwàpọ̀. Gbogbo nǹkan yòókù ni àyíká, èyí tí nínú kálórímítà túmọ̀ sí omi tàbí ojútùú àti ohun èlò ní pàtàkì. Agbára lè kọjá ààlà bí ooru, q, tàbí bí iṣẹ́, w, àyípadà agbára inú ètò náà sì jẹ́ ΔU = q + w.

Èntálpì, H = U + PV, ni a túmọ̀ kí àyípadà rẹ̀ dọ́gba ooru tí a pààrọ̀ ní ìfúnpá dúró nígbà tí iṣẹ́ kan ṣoṣo jẹ́ iṣẹ́ ìgbòòrò: ΔH = q_p. Nítorí pé ọ̀pọ̀ kẹ́místrì orí tábìlì ń ṣẹlẹ̀ ní ìfúnpá afẹ́fẹ́ tó dúró ní ìwọ̀n, àwọn onímọ̀ kẹ́místrì ń ṣe àtòkọ èntálpì dípò agbára inú.

Àwọn àṣà àmì fún ooru àti èntálpì

A ń kọ àwọn àmì láti ojú ìwòye ètò náà nígbà gbogbo. Ooru tó ń ṣàn sínú ètò jẹ́ rere; ooru tó ń ṣàn jáde jẹ́ òdì. Ìhùwàpọ̀ tó ń tú ooru jáde ń tú ooru sí àyíká, nítorí náà ΔH rẹ̀ jẹ́ òdì àyíká sì ń gbóná. Ìhùwàpọ̀ tó ń gba ooru ń gba ooru, nítorí náà ΔH rẹ̀ jẹ́ rere àyíká sì ń tutù.

Nínú kálórímítà o ń wọn àyíká, kì í ṣe ìhùwàpọ̀ náà. Tí omi bá gbóná, omi náà jèrè ooru, ìhùwàpọ̀ sì pàdánù gan-an iye yẹn. Èyí fún ni ìbátan àárín kálórímẹ́tírì: q_reaction = −q_surroundings.

Agbára ìmú ooru àti ìdọ́gba q = mcΔT

Ooru tí a nílò láti yí ìwọ̀n ooru nǹkan kan padà ni q = mcΔT, níbi tí m jẹ́ ìwúwo, c jẹ́ ooru pàtó (ooru tí a nílò láti mú gíráàmù kan gbóná ní ìwọ̀n kan), àti ΔT = T_final − T_initial. Àyípadà ìwọ̀n kan Celsius dọ́gba àyípadà kelvin kan, nítorí náà ΔT ní iye kan náà lórí òṣùwọ̀n èyíkéyìí. Àwọn ooru pàtó tí a lò nísàlẹ̀ wá láti Tábìlì OpenStax Chemistry 2e 5.1, tí a wọ̀n nítòsí 25 °C; fún omi, c = 4.184 J/(g·°C).

Àpẹẹrẹ ìṣiṣẹ́ 1. Ooru mélòó ni ó ń gbé ẹ̀ka sílíkọ́nù 310.0 g sókè láti 24.5 °C dé 160.0 °C? Ooru pàtó sílíkọ́nù jẹ́ 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, tàbí 29.9 kJ. Ooru pàtó ní díjítì pàtàkì mẹ́ta, nítorí náà èsì náà náà ní.

Àpẹẹrẹ ìṣiṣẹ́ 2. A gbé ẹ̀ka òjé 450.0 g ní 88.0 °C sínú omi 60.0 g ní 20.5 °C nínú ife fóòmù. Ooru pàtó òjé jẹ́ 0.130 J/(g·°C), ti omi sì ni iye tí a fún lókè. Ooru tí òjé pàdánù dọ́gba ooru tí omi jèrè, nítorí náà q_lead + q_water = 0: (58.5 J/°C)(T_f − 88.0) + (251.0 J/°C)(T_f − 20.5) = 0, níbi tí alábàádọ́gba kọ̀ọ̀kan jẹ́ ìwúwo ní ìlọ́po ooru pàtó. Yíyanjú, T_f = (58.5 × 88.0 + 251.0 × 20.5)/(58.5 + 251.0) = 33.3 °C. Àyẹ̀wò: omi náà jèrè nǹkan bí 251.0 × 12.8 ≈ 3.2 kJ, òjé sì pàdánù nǹkan bí 58.5 × 54.7 ≈ 3.2 kJ. Ìwọ̀n ooru omi ń yípadà kéré púpọ̀ ju ti òjé lọ nítorí agbára ìmú ooru rẹ̀ tóbi ju ìlọ́po mẹ́rin lọ.

Kálórímẹ́tírì ife-kọfí ní ìfúnpá dúró

Kálórímítà ife-kọfí jẹ́ ife tí a dí ooru mọ́, tí ó ṣí sí afẹ́fẹ́, nítorí náà ìlànà náà ń ṣẹlẹ̀ ní ìfúnpá dúró, ooru tí a wọ̀n sì fún ni ΔH tààrà. Fún àwọn ojútùú inú omi tó rọ̀, àwọn ìgbàgbọ́ àṣà ni pé ojútùú náà ní ìṣùpọ̀ àti ooru pàtó omi àti pé ife náà ń gba ooru tí kò tó nǹkan.

Àpẹẹrẹ ìṣiṣẹ́ 3. A da 60.0 mL ásídì náítíríkì 0.800 mol/L ní 21.42 °C pọ̀ mọ́ 60.0 mL pọ́tásíọ́mù háídíróksídì 0.800 mol/L ní ìwọ̀n ooru kan náà. Àdàpọ̀ náà dé 26.75 °C. Rí ΔH fún mọ́ọ̀lù omi tí a ṣe. Ìwúwo ojútùú: 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. Nítorí náà q_reaction = −2.68 × 10³ J.

Mọ́ọ̀lù omi tí a ṣe: ojútùú kọ̀ọ̀kan ń pèsè 0.0600 L × 0.800 mol/L = 0.0480 mol, ìhùwàpọ̀ H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) sì jẹ́ 1:1, nítorí náà 0.0480 mol omi ni a ṣe. ΔH = −2.68 kJ / 0.0480 mol = −55.8 kJ/mol. Gẹ́gẹ́ bí àyẹ̀wò, èntálpì ìdásílẹ̀ ìwọ̀n láti Àfikún G OpenStax fún ni −285.83 − (−230.0) = −55.8 kJ/mol fún ìhùwàpọ̀ mímọ́ kan náà, tí a mú ΔH°f ti H⁺(aq) bí òdo nípa àṣà.

Kálórímẹ́tírì bọ́ọ̀mù àti àlàfo láàrin ΔU àti ΔH

A ń wọn ìjóná nínú kálórímítà bọ́ọ̀mù, àpò irin tí a dí pa nínú ìwẹ̀ omi. Nítorí ìwọ̀n ààyè dúró, a kò ṣe iṣẹ́ ìgbòòrò kankan, ooru tí a wọ̀n sì jẹ́ ΔU, kì í ṣe ΔH. A ń ṣàtúnṣe gbogbo ohun èlò náà gẹ́gẹ́ bí ẹ̀ka kan, tó ń fún ni alábàádọ́gba kálórímítà C_cal ní kJ/°C, nítorí náà q = C_cal × ΔT láìsí ìwúwo tàbí ooru pàtó lọ́tọ̀.

Àpẹẹrẹ ìṣiṣẹ́ 4. Jíjó 0.5000 g bẹ́ǹsìnì olómi, C₆H₆, nínú kálórímítà pẹ̀lú C_cal = 10.25 kJ/°C ń gbé ìwọ̀n ooru sókè ní 2.038 °C. Pẹ̀lú àwọn ìwúwo átọ̀mù àjọṣe IUPAC tí a ṣe àyè-yíyípo sí ibi ìdá mẹ́wàá méjì (C 12.01, H 1.01), M = 78.12 g/mol, nítorí náà n = 0.5000 g / 78.12 g/mol = 0.006400 mol. q_cal = (10.25 kJ/°C)(2.038 °C) = 20.89 kJ, nítorí náà ΔU = −20.89 kJ / 0.006400 mol = −3264 kJ/mol, pẹ̀lú díjítì pàtàkì mẹ́rin nítorí iye tí a wọ̀n kọ̀ọ̀kan ní mẹ́rin.

Láti yí padà sí èntálpì, lo ΔH = ΔU + Δn_gas RT. Nínú C₆H₆(l) + 15/2 O₂(g) → 6 CO₂(g) + 3 H₂O(l), mọ́ọ̀lù gáàsì ń dín kù láti 7.5 sí 6, nítorí náà Δn_gas = −1.5 àtúnṣe náà sì jẹ́ (−1.5)(8.314 J/(mol·K))(298.15 K) = −3.72 kJ/mol. ΔH = −3264 − 3.72 = −3268 kJ/mol, tó bá −3267.7 kJ/mol tí a rí láti èntálpì ìdásílẹ̀ Àfikún G mu. Àtúnṣe náà ń pọ̀ sí i nígbà tí ìhùwàpọ̀ bá ṣe tàbí lo mọ́ọ̀lù gáàsì púpọ̀.

Kíkà àti yíyí àwọn ìdọ́gba kẹ́místrì-ooru padà ní ìwọ̀n

Ìdọ́gba kẹ́místrì-ooru so ΔH mọ́ ìhùwàpọ̀ gan-an bí a ṣe kọ ọ́. Ṣe ìlọ́po méjì àwọn alábàádọ́gba, ΔH sì di ìlọ́po méjì; yí ìhùwàpọ̀ po, àmì náà sì yí padà. Àwọn ipò ara ṣe pàtàkì: ṣíṣẹ̀dá omi olómi ń tú ooru jáde ju ṣíṣẹ̀dá èéfín omi lọ, nítorí ìdi-omi fúnra rẹ̀ ń tú ooru jáde.

Láti rí ooru fún iye nǹkan kan, yí padà sí mọ́ọ̀lù kí o sì lo ΔH fún mọ́ọ̀lù ìhùwàpọ̀ gẹ́gẹ́ bí kókó ìyípadà. Jíjó 12.5 g bẹ́ǹsìnì, pẹ̀lú ΔH = −3267.7 kJ fún mọ́ọ̀lù bẹ́ǹsìnì, ń tú (12.5 g / 78.12 g/mol) × 3267.7 kJ/mol = 523 kJ jáde. Kọ ọ́ bí q = −523 kJ fún ìhùwàpọ̀ náà, tàbí bí 523 kJ ooru tí a tú jáde.

Àwọn àṣìṣe kálórímẹ́tírì tó ń yí àwọn àmì po tàbí tó ń pàdánù ooru

Ìṣirò kálórímẹ́tírì kúrú, nítorí náà ọ̀pọ̀ àṣìṣe jẹ́ ti èrò.

Àyẹ̀wò ìkẹyìn tó ṣeé gbẹ́kẹ̀lé jẹ́ ti ìṣẹ̀dá: tí omi bá gbóná, ìhùwàpọ̀ náà gbọ́dọ̀ ní ΔH òdì.

• Àmì òdì tó sọnù: ìwọ̀n ooru àyíká gòkè, nítorí náà q_reaction jẹ́ òdì. Ròyìn +55.8 kJ/mol fún ìmú dọ̀gba ásídì–bésì tó mú omi gbóná jẹ́ àṣìṣe àmì.
• Ìwúwo tí kò tọ́: nínú kálórímẹ́tírì ojútùú, lo ìwúwo gbogbo ojútùú, kì í ṣe ti ohun tí a tú dà tàbí ọ̀kan nínú àwọn ìwọ̀n ààyè méjì tí a dà pọ̀ nìkan.
• Fún gíráàmù lòdì sí fún mọ́ọ̀lù: pín pẹ̀lú mọ́ọ̀lù irú tí a sọ láti rí kJ/mol, kí o sì sọ irú wo.
• Dída jọ́ọ̀lù àti kìlójọ́ọ̀lù pọ̀: q láti mcΔT wà ní jọ́ọ̀lù; yí padà kí o tó pín sí èsì kJ/mol.
• Kíka dátà bọ́ọ̀mù sí ΔH: bọ́ọ̀mù tí a dí pa ń fún ni ΔU; lo àtúnṣe Δn_gas RT nígbà tí a bá nílò ΔH.