Химийн урвалаар энтальпи илрүүлэх 3 арга

2024 Зохиолч: Jason Gerald | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-19 22:13

Бүх химийн урвалын үед дулааныг хүрээлэн буй орчноос хүлээн авах эсвэл хүрээлэн буй орчинд цацаж болно. Химийн урвал ба түүний хүрээлэн буй орчин хоёрын хоорондох дулаан солилцоог урвалын энтальпи буюу H гэж нэрлэдэг. Гэсэн хэдий ч H -ийг шууд хэмжих боломжгүй байдаг. Үүний оронд эрдэмтэд урвалын температурын өөрчлөлтийг ашиглан энтальпийн өөрчлөлтийг олдог. цаг хугацааны явцад (гэж бичсэн Х). H -ийн тусламжтайгаар эрдэмтэн урвал нь дулаан ялгаруулдаг (эсвэл "экзотермик") эсвэл дулаан хүлээн авдаг (эсвэл "эндотермик") эсэхийг тодорхойлж чадна. Ерөнхийдөө, H = m x s x T, m нь урвалж буй бодисын масс, s нь бүтээгдэхүүний өвөрмөц дулаан, T нь урвалын температурын өөрчлөлт юм.

Алхам

3 -ийн 1 -р арга: Энтальпийн асуудлыг шийдвэрлэх

Алхам 1. Бүтээгдэхүүн, урвалж бодисын урвалыг тодорхойл

Аливаа химийн урвал нь бүтээгдэхүүн ба урвалж гэсэн хоёр химийн ангиллыг агуулдаг. Бүтээгдэхүүн бол урвалын үр дүнд бий болдог химийн бодис бөгөөд харин урвалд ордог бодисууд нь бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхийн тулд нэгдэж эсвэл хуваагддаг химийн бодис юм. Өөрөөр хэлбэл, урвалд орох урвалжууд нь хоолны жорны найрлагатай адил байдаг бол бүтээгдэхүүн нь бэлэн хоол юм. Урвалын H -ийг олохын тулд эхлээд бүтээгдэхүүн ба урвалжийг тодорхойлно.

Жишээлбэл, бид устөрөгч ба хүчилтөрөгчөөс ус үүсэх урвалын энтальпийг олох гэж байна гэж бодъё: 2H₂ (Устөрөгч) + О₂ (Хүчилтөрөгч) → 2H₂O (Ус). Энэ тэгшитгэлд Х₂ ба О₂ нь урвалд ордог бодис ба Х₂О бүтээгдэхүүн юм.

Алхам 2. Урвалж буй бодисын нийт массыг тодорхойл

Дараа нь урвалд орж буй бодисын массыг олоорой. Хэрэв та түүний массыг мэдэхгүй бөгөөд шинжлэх ухааны хэмжүүрээр жинлэж чадахгүй байгаа бол түүний молийн массыг ашиглан жинхэнэ массыг нь олох боломжтой. Моляр масс нь тогтмол тогтмол хүснэгт (нэг элементийн хувьд) болон бусад химийн эх үүсвэрээс (молекул ба нэгдлүүдийн хувьд) олддог тогтмол хэмжээ юм. Урвалж буй бодисын массыг олохын тулд урвалж бүрийн молийн массыг молийн тоогоор үржүүлэхэд л хангалттай.

• Усны жишээнд бидний урвалд ордог бодисууд нь устөрөгч ба хүчилтөрөгчийн хий бөгөөд 2 г ба 32 г молийн масстай байдаг. Бид 2 моль устөрөгч хэрэглэж байгаа тул (H -ийн 2 коэффициентээр шүүж үзье₂) ба 1 моль хүчилтөрөгч (О -д коэффициент байхгүйгээс үзэхэд)₂), бид урвалж бодисын нийт массыг дараах байдлаар тооцоолж болно.

  2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36 гр

Алхам 3. Бүтээгдэхүүнийхээ тодорхой дулааныг олоорой

Дараа нь дүн шинжилгээ хийж буй бүтээгдэхүүнийхээ дулааныг олоорой. Элемент эсвэл молекул бүр тодорхой дулаантай байдаг: энэ утга нь тогтмол бөгөөд ихэвчлэн химийн сургалтын эх сурвалжид байдаг (жишээлбэл, химийн сурах бичгийн арын хүснэгтэд). Тодорхой дулааныг тооцоолох янз бүрийн арга байдаг боловч бидний хэрэглэж буй томъёоны хувьд бид Joule/gram ° C нэгжийг ашиглаж байна.

• Хэрэв таны тэгшитгэл олон бүтээгдэхүүнтэй бол бүтээгдэхүүн тус бүрийг үйлдвэрлэхэд ашигладаг элементүүдийн урвалын энтальпийг тооцоолж, урвалын ерөнхий энтальпийг олохын тулд тэдгээрийг нэмж оруулах шаардлагатай болно гэдгийг анхаарна уу.
• Бидний жишээн дээр эцсийн бүтээгдэхүүн нь ойролцоогоор тодорхой дулаантай ус юм. 4.2 joules/грамм ° C.

Алхам 4. Урвал явагдсаны дараа температурын ялгааг ол

Дараа нь бид урвалын өмнөх ба дараах температурын өөрчлөлт болох Т -ийг олох болно. Урвалын анхны температурыг (эсвэл T1) хасч тооцохдоо урвалын дараах эцсийн температураас (эсвэл T2) хасна. Ихэнх химийн ажлын нэгэн адил Келвин (K) температурыг ашигладаг (хэдийгээр Цельсийн (С) нь ижил үр дүнг өгөх болно).

• Бидний жишээн дээр урвалын анхны температур 185К боловч урвал дууссаны дараа 95К хүртэл хөрнө гэж бодъё. Энэ асуудалд Т -ийг дараах байдлаар тооцоолно.

  T = T2 - T1 = 95K - 185K = - 90K

Алхам 5. Шийдэхийн тулд H = m x s x T томъёог ашиглана уу

Хэрэв танд m, урвалжлагчдын масс, бүтээгдэхүүний тодорхой дулаан, T, урвалын температурын өөрчлөлт байгаа бол та урвалын энтальпийг олоход бэлэн байна. Өөрийн утгыг H = m x s x T томъёонд оруулаад үржүүлэхийн тулд үржүүлнэ үү. Таны хариултыг энергийн нэгжээр, тухайлбал Joules (J) гэж бичсэн болно.

• Бидний жишээний хувьд урвалын энтальпи нь:

  H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = - 13,608 Ж

Алхам 6. Таны хариу үйлдэл энергийг хүлээн авах эсвэл алдаж байгааг тодорхойлох

Төрөл бүрийн урвалын хувьд H -ийг тооцоолох хамгийн түгээмэл шалтгаануудын нэг бол урвал нь экзотермик (энерги алдаж, дулаан ялгаруулдаг) эсвэл эндотермик (энерги олж, дулааныг шингээдэг) эсэхийг тодорхойлох явдал юм. Хэрэв таны Н -ийн эцсийн хариултын тэмдэг эерэг байвал урвал эндотермик болно. Үүний зэрэгцээ хэрэв тэмдэг нь сөрөг байвал урвал нь экзотермик болно. Энэ тоо их байх тусам экзо- эсвэл эндотермик урвал их байх болно. Хүчтэй экзотермик урвалд болгоомжтой байгаарай - тэд маш их энерги ялгаруулдаг бөгөөд хэрэв маш хурдан ялгарвал дэлбэрэлт үүсгэж болзошгүй юм.

Бидний жишээн дээр эцсийн хариулт нь -13608J байна. Тэмдэг нь сөрөг байгаа тул бидний хариу үйлдэл ийм байгааг бид мэднэ экзотермик. Энэ нь утга учиртай юм - Х₂ болон О₂ нь хий юм₂O, бүтээгдэхүүн бол шингэн юм. Халуун хий (уур хэлбэрээр) нь хүрээлэн буй орчинд энерги ялгаруулж, хөргөж шингэн болох, өөрөөр хэлбэл H үүсгэх урвалд орох ёстой.₂O нь экзотермик.

3 -ийн 2 -р арга: Энтальпийн хэмжээг тооцоолох

Алхам 1. Энтальпийг тооцоолохын тулд бондын энергийг ашиглана уу

Бараг бүх химийн урвалууд нь атомуудын хооронд холбоо үүсэх, тасрахтай холбоотой байдаг. Химийн урвалын үед энергийг устгах эсвэл үүсгэх боломжгүй тул хэрэв бид урвалын явцад холбоо үүсгэх эсвэл таслахад шаардагдах энергийн хэмжээг мэддэг бол эдгээр холбоог нэмж өгснөөр ерөнхий урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг өндөр нарийвчлалтай тооцоолж болно. энерги.

• Жишээлбэл, урвалыг ашигласан H₂ + F₂ → 2HF. Энэ тэгшитгэлд H молекул дахь H атомыг задлахад шаардагдах энерги нь₂ нь 436 кДж/моль байхад F -д шаардагдах энерги₂ 158 кДж/моль байна. Эцэст нь H ба F -ээс HF үүсгэхэд шаардагдах энерги = -568 кДж/моль байна. Тэгшитгэл дэх бүтээгдэхүүн нь 2 HF учраас бид 2 -оор үржүүлнэ, энэ нь 2 × -568 = -1136 кЖ/моль юм. Бүгдийг нь нэмээд бид дараахь зүйлийг олж авна.

  436 + 158 + -1136 = - 542 кДж/моль.

Алхам 2. Энтальпийг тооцоолохдоо формацын энтальпийг ашиглана уу

Үүсэх энтальпи нь химийн бодис үйлдвэрлэх урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг илэрхийлдэг H утгуудын багц юм. Хэрэв та тэгшитгэл дэх бүтээгдэхүүн ба урвалжийг үйлдвэрлэхэд шаардагдах формацийн энтальпийг мэддэг бол дээр дурдсан бондын энерги шиг энтальпийг тооцоолохын тулд тэдгээрийг нэмж болно.

• Жишээлбэл, C -ийг ашигласан тэгшитгэл₂Х₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3 цаг₂О. Энэ тэгшитгэлд дараахь урвалын формацын энтальпи болохыг бид мэднэ.

  C₂Х₅OH → 2C + 3H₂ +0.5O₂ = 228 кДж/моль

  2C + 2O₂ → 2CO₂ = -394 × 2 = -788 кДж/моль

  3H₂ +1.5 О₂ → 3 цаг₂O = -286 × 3 = -858 кДж/моль

  Нэгэнт бид эдгээр тэгшитгэлийг нэгтгэн C авах боломжтой болно₂Х₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3 цаг₂Өө, бид энтальпийг олохыг оролдож буй урвалаас энэ урвалын энтальпийг олохын тулд дээрх формацийн урвалын энтальпийг нэмэх хэрэгтэй.

  228 + -788 + -858 = - 1418 кДж/моль.

Алхам 3. Тэгшитгэлийг буцаахдаа тэмдгийг өөрчлөхөө бүү мартаарай

Та урвалын энтальпийг тооцоолохдоо формацын энтальпийг ашиглахдаа элементүүдийн урвалын тэгшитгэлийг урвуулах бүртээ формацын энтальпийн тэмдгийг өөрчлөх ёстойг анхаарах нь чухал юм. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв та бүтээгдэхүүн эсвэл урвалжууд бие биенээ хүчингүй болгохын тулд нэг буюу хэд хэдэн тэгшитгэлээ урвуу болгох юм бол сольж буй формацын урвалын энтальпийн тэмдгийг өөрчил.

Дээрх жишээн дээр бид С -д ашигласан формацийн урвалыг анхаарна уу₂Х₅Өө, дээрээс нь доошоо. C₂Х₅OH → 2C + 3H₂ +0.5O₂ шоу C₂Х₅OH нь хуваагдаагүй, үүсээгүй байна. Бүтээгдэхүүн ба урвалжууд бие биенээ хүчингүй болгохын тулд бид энэ тэгшитгэлийг өөрчилсөн тул бид формацын энтальпийн тэмдгийг 228 кДж/моль болгон өөрчилсөн. Үнэндээ С -ийн формацын энтальпи₂Х₅OH нь -228 кДж/моль байна.

3 -ийн 3 -р арга: Туршилтын энтальпийн өөрчлөлтийг ажиглах

Алхам 1. Цэвэр савыг аваад усаар дүүргэнэ

Энтальпийн зарчмыг энгийн туршилтаар харахад хялбар байдаг. Таны туршилтын урвал гадны бодисоор бохирдохгүй байхын тулд ашиглах гэж буй савыг цэвэрлэж ариутга. Эрдэмтэд энтальпийг хэмжихдээ калориметр гэж нэрлэгддэг тусгай битүүмжилсэн савыг ашигладаг боловч та ямар ч шил, жижиг туршилтын хоолой ашиглан сайн үр дүнд хүрч чадна. Ямар ч сав хэрэглэж байгаа бол өрөөний температурт цэвэр усаар дүүргэ. Та мөн хүйтэн температуртай өрөөнд туршилт хийх хэрэгтэй.

Энэ туршилтыг хийхийн тулд танд нэлээд жижиг сав хэрэгтэй болно. Бид Alka-Seltzer-ийн энтальпийн өөрчлөлтийн усанд хэрхэн нөлөөлж байгааг судлах тул ус бага хэрэглэх тусам температурын өөрчлөлт илүү тод илэрнэ

Алхам 2. Термометрийг саванд хийнэ

Термометр аваад саванд хийж термометрийн үзүүр нь усан дор байх ёстой. Усны температурыг уншина уу - бидний хувьд усны температурыг урвалын анхны температур болох T1 гэж тэмдэглэнэ.

Усны температурыг хэмжиж, үр дүн нь 10 градус байна гэж бодъё. Хэдхэн алхамаар бид эдгээр температурын уншилтыг ашиглан энтальпийн зарчмыг батлах болно

Алхам 3. Саванд нэг Алка-Селцер нэмнэ

Туршилтыг эхлүүлэхэд бэлэн болсны дараа Alka-Seltzer-ийг усанд хая. Үр тариа буцалж, исгэрч байгааг та шууд анзаарах болно. Бөмбөлгүүдийг усанд уусгахад тэдгээр нь химийн бикарбонат (HCO.) Болж задардаг.₃^-) ба нимбэгийн хүчил (устөрөгчийн ион хэлбэрээр урвалд ордог, H⁺). Эдгээр химийн бодисууд нь 3HCO тэгшитгэл дэх ус ба нүүрстөрөгчийн давхар ислийн хий үүсгэх урвалд ордог₃⁻ + 3 цаг⁺ → 3 цаг₂O + 3CO₂.

Алхам 4. Урвал дууссаны дараа температурыг хэмжинэ

Урвалын явцыг ажиглаарай - Alka -Seltzer -ийн мөхлөгүүд аажмаар уусдаг. Үр тарианы урвал дуусмагц (эсвэл удааширсан) температурыг дахин хэмжинэ. Ус өмнөхөөсөө илүү хүйтэн байх ёстой. Хэрэв энэ нь илүү дулаахан байвал туршилтанд гадны хүч нөлөөлж болзошгүй (жишээлбэл, таны байгаа өрөөнд дулаан байвал).

Бидний туршилтын жишээг авч үзвэл, үр тариа гацахаа больсны дараа усны температур 8 хэм байна

Алхам 5. Урвалын энтальпийг тооцоолно уу

Хамгийн тохиромжтой туршилтаар та Алка-Селцер тариаг усанд хаяхад ус, нүүрстөрөгчийн давхар исэл хий үүсч (хий исгэх бөмбөлөг хэлбэрээр ажиглагдах боломжтой) бөгөөд усны температур буурахад хүргэдэг. Энэхүү мэдээллээс харахад урвал нь эндотермик, өөрөөр хэлбэл хүрээлэн буй орчны энергийг шингээдэг гэж бид таамаглаж байна. Ууссан шингэн урвалжууд нь хийн бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхэд нэмэлт энерги шаардагддаг тул энергийг хүрээлэн буй орчноос дулаан хэлбэрээр шингээдэг (энэ туршилтаар ус). Энэ нь усны температур буурахад хүргэдэг.

Бидний туршилтын жишээнд Alka-Seltzer-ийг нэмсний дараа усны температур хоёр градусаар буурсан байна. Энэ нь бидний хүлээж буй бага зэргийн эндотермик урвалтай тохирч байна