Chemija · Pamoka

Šiluminė talpa, kalorimetrija ir reakcijos entalpija

Nustatyti reakcijos šilumą pagal išmatuotą temperatūros pokytį, naudojant pateiktas šilumines talpas ir aiškiai apskaitant aparato šilumą. Atskirti entalpiją esant pastoviam slėgiui nuo vidinės energijos esant pastoviam tūriui.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti bendrąją šiluminę talpą nuo savitosios šiluminės talpos.
Nustatant reakcijos šilumą, įtraukti tirpalo ir aparato šilumą.
Nurodyti sąlygas, kuriomis q_p = ΔH ir q_v = ΔU.

Šiluminė talpa susieja temperatūros pokytį su šilumos kiekiu

Šiluminė talpa C susieja nedidelį suteiktą šilumos kiekį su temperatūros pokyčiu nurodytomis sąlygomis; viso pasirinkto objekto šiluminės talpos vienetai yra J K⁻¹. Savitoji šiluminė talpa c išreiškia šiluminę talpą masės vienetui ir dažnai matuojama J g⁻¹ K⁻¹. Jei nagrinėjamame intervale c yra apytikriai pastovi, šildant be fazės virsmo ir laikantis atitinkamų apribojimų q ≈ mcΔT.

Šiluminė talpa priklauso nuo medžiagos, temperatūros, fazės ir sąlygų, pavyzdžiui, pastovaus slėgio ar tūrio. Fazės virsmo metu energija gali būti sugeriama be atitinkamo temperatūros kilimo, todėl viena mcΔT išraiška neaprašo viso lydymosi ar virimo proceso. Naudokite konkrečiam skaičiavimui pateiktas šilumines talpas.

Visų svarbių šylančių dalių apskaita

Sistema pasirinkite reaguojančią medžiagą. Jei tirpalas ir kalorimetras šyla, taikant nurodytą aproksimaciją jų gautus šilumos kiekius galima užrašyti q_solution = mcΔT ir q_cal = C_calΔT. Jei šilumos nuostoliai ir kiti energijos perdavimai yra nereikšmingi, q_reaction = −(q_solution + q_cal).

Šiltesnis tirpalas nereiškia, kad reakcija sugėrė šilumą: reakcija galėjo išskirti energiją į šią aplinką. Aparato šiluminė talpa yra svarbi. Jos nepaisymas yra sąmoningai pasirinkta aproksimacija, kurią reikia pagrįsti arba įvertinti jos poveikį, o ne savaime taikoma taisyklė.

Pagal pateiktą šiluminę talpą galima patikrinti tiesinį ryšį

Originaliame hipotetiniame kalorimetro modelyje naudojamas 100.0 g tirpalas, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ ir aparato šiluminė talpa C_cal = 50.0 J K⁻¹. Apskaičiuota bendra šiluminė talpa yra maždaug 468 J K⁻¹. Temperatūrai pakilus 5.00 K, tirpalas ir aparatas kartu gauna 2.34 kJ šilumos.

Grafike parodytas sąlygoje apibrėžtas ryšys, kai šiluminė talpa pastovi: q_absorbed = (mc + C_cal)ΔT. Tai nėra išmatuota kalibravimo kreivė, o į vandens savitąją šiluminę talpą panaši c vertė yra pateiktas uždavinio duomuo, kurio negalima laikyti kiekvieno tirpalo savybe. Paprastame izoliuotos sistemos energijos balanse reaguojančios sistemos šilumos ženklas yra priešingas.

Įtraukite tirpalą ir aparatūrą į šilumos balansą

Tirpalo ir aparatūros gautas šilumos kiekis / kJ

Temperatūros padidėjimas ΔT / K

Apskaičiuotas sugertos šilumos kiekis
— Nurodytas šiluminės talpos sąryšis

Duomenys, kuriais remiamasi

Temperatūros padidėjimas ΔT / K	Tirpalo ir aparatūros gautas šilumos kiekis / kJ
1	0.468 · Apskaičiuotas sugertos šilumos kiekis
3	1.404 · Apskaičiuotas sugertos šilumos kiekis
5	2.34 · Apskaičiuotas sugertos šilumos kiekis

Sukurtas pastovios šiluminės talpos modelis: 100.0 g × 4.18 J g⁻¹ K⁻¹ + 50.0 J K⁻¹ ≈ 468 J K⁻¹. Žymekliais ir brūkšnine linija pateikiamas apskaičiuotas teigiamas tirpalo ir aparatūros gautas šilumos kiekis. Nurodytame izoliuotame modelyje reakcijos metu išsiskiria atitinkamas šilumos kiekis.

Slėgio ir darbo sąlygos lemia, kokį pokytį nusako šiluma

Entalpija yra H = U + pV. Uždarai nejudančiai sistemai vykstant procesui pastovaus slėgio sąlygomis, kai ties sistemos riba atliekamas darbas −pΔV ir neatliekama jokio kito darbo, reaguojančios sistemos šiluma q_p lygi ΔH. Pastovaus tūrio sąlygomis q_v lygi ΔU, kai kitokio darbo ir energijos perdavimo nėra arba į juos tinkamai atsižvelgiama pataisomis. Vien pastovus tūris neatmeta visų galimų darbo rūšių.

Entalpija H ir jos pokytis ΔH apibūdina visą nurodytą sistemą, todėl jų dydis priklauso nuo medžiagos kiekio. Norint gauti molinį reakcijos rezultatą, pokytis dalijamas iš nurodyto stechiometrinio reakcijos kiekio. Modelinėje reakcijoje A → B, kurioje pagal santykį 1:1 sunaudojama 0.0500 mol A, bendras pokytis nurodytomis pastovaus slėgio sąlygomis yra ΔH = −2.34 kJ; pagal šį santykį vidutinis molinis reakcijos entalpijos pokytis yra −46.8 kJ mol⁻¹. Pirmoji vertė yra bendras pokytis, o antroji – pokytis vienam moliui.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Nustatykite reakcijos šilumą pagal bendrą šiluminę talpą

Naudokite hipotetinį 100.0 g tirpalą, kai c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹, C_cal = 50.0 J K⁻¹ ir ΔT = +5.00 K. Modelinėje reakcijoje A → B sunaudojama 0.0500 mol A. Apskaičiuokite išsiskyrusią šilumą ir molinį entalpijos pokytį pastovaus slėgio sąlygomis, darydami prielaidas, kad atliekamas tik PV darbas, o šilumos nuostoliai nereikšmingi.

Tirpalo gauta šiluma = 100.0 × 4.18 × 5.00 = +2090 J.
Aparato gauta šiluma = 50.0 × 5.00 = +250 J.
Reaguojančios sistemos šiluma = −(2090 + 250) = −2340 J = −2.34 kJ.
Padalykite iš 0.0500 mol pagal nurodytą reakcijos santykį 1:1.

Nurodytomis sąlygomis q_reaction = bendras ΔH = −2.34 kJ. Vidutinis molinis reakcijos entalpijos pokytis pagal nurodytą reakcijos stechiometrinį pagrindą yra −46.8 kJ mol⁻¹; reaguojanti sistema yra egzoterminė.

Pabandykite patys

Ar c, išreikšta J g⁻¹ K⁻¹, jau reiškia viso tirpalo šiluminę talpą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Savitosios šiluminės talpos vertę padauginkite iš tirpalo masės.
Termiškai izoliuotame modelyje tirpalas ir įranga kartu gauna +2.34 kJ. Kokia yra q_reaction vertė?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
−2.34 kJ.
Reaguojanti medžiaga netenka tiek energijos, kiek jos gauna modelyje ją supanti aplinka.
Ar visada galima neatsižvelgti į įrangos šiluminę talpą, nepakeičiant nustatomos reakcijos šilumos?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jos temperatūros pokytis gali reikšti reikšmingą šilumos gavimą arba netekimą.
Ar vien pastovus tūris garantuoja, kad q_v = ΔU, jei sistemai taip pat perduodamas elektrinis darbas?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Kitų rūšių darbas neturi būti atliekamas arba turi būti įtrauktas į energijos balansą.

Ką verta įsidėmėti

Pasirinkite skaičiavimui taikomą šiluminę talpą ir apribojimus.
Įtraukite reikšmingą aparatūros šilumos kiekį arba pagrįskite, kodėl jo nepaisote.
Paprastame šilumos balanse reaguojančios sistemos šilumos kiekio ženklas yra priešingas jos šiluminės aplinkos šilumos kiekio ženklui.
Lygybėms q_p = ΔH ir q_v = ΔU būtina nurodyti darbo atlikimo ir perdavimo sąlygas.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.