RISINĀJUMA SILTUMS: KĀ TAS TIEK APRĒĶINĀTS, PIELIETOJUMI UN VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

Šķīduma siltuma vai entalpija šķīduma ir siltums, kas tiek absorbēts vai atbrīvojas šķīdināšanas procesā zināmu izšķīdušās vielas šķīdinātājā laikā, ar nosacījumu, ka pastāvīga spiediena.

Kad notiek ķīmiska reakcija, ir nepieciešama enerģija gan lai veidotos, gan sadalītos saites, kas ļauj veidot jaunas vielas. Enerģija, kas plūst, lai šie procesi notiktu, ir siltums, un termoķīmija ir zinātnes nozare, kas ir atbildīga par to izpēti.

Avots: Pixnio.

Runājot par terminu entalpija, tas tiek izmantots, lai apzīmētu siltuma plūsmu, kad notiek ķīmiski procesi pastāvīga spiediena apstākļos. Šī termina radīšana tiek attiecināta uz holandiešu fiziķi Heike Kamerlingh Onnes (1853 - 1926), tas pats, kurš atklāja supravadītspēju.

Kā to aprēķina?

Lai atrastu entalpiju, mums jāsāk no pirmā termodinamikas likuma, kas uzskata, ka sistēmas iekšējās enerģijas ΔU variācijas ir saistītas ar absorbēto siltumu Q un kāda ārēja aģenta W veikto darbu:

Ja darbs ir negatīvs integrālis visā spiediena un diferenciālā tilpuma izmaiņās visa produkta apjomā. Šī definīcija ir līdzvērtīga spēka skalārā rezultāta un pārvietojuma vektora negatīvajam integrālam mehāniskā darbā:

Kad tiek piemērots iepriekš minētais pastāvīgā spiediena apstāklis, P var iziet no integrālā; tāpēc darbs ir:

-Izpausme entalpijai

Ja šis rezultāts tiek aizstāts ar Δ U, iegūstam:

U + PV daudzumu sauc par entalpiju H, lai:

Entalpiju mēra džoulos, jo tā ir enerģija.

Šķīduma entalpija

Sākotnējie šķīduma komponenti ir izšķīdināti un šķīdinātāji, un tiem ir sākotnējā entalpija. Kad šī izšķīšana notiks, tai būs sava entalpija.

Šajā gadījumā entalpijas izmaiņas džoulos var izteikt šādi:

Vai nu standarta entalpijas formā ΔH ^o , kur rezultāts ir džoulos / mol

Ja reakcija izdala siltumu, ΔH zīme ir negatīva (eksotermiskais process), ja tā absorbē siltumu (endotermiskais process), zīme būs pozitīva. Un, protams, šķīduma entalpijas vērtība būs atkarīga no gala šķīduma koncentrācijas.

Lietojumprogrammas

Daudzi jonu savienojumi šķīst polāros šķīdinātājos, piemēram, ūdenī. Parasti izmanto sāls (nātrija hlorīda) šķīdumus ūdenī vai sālījumā. Tagad risinājuma entalpiju var uzskatīt par divu enerģiju ieguldījumu:

- viens, lai izjauktu šķīdušā un izšķīdinātā saites un šķīdinātāja un šķīdinātāja saites

- otrs ir tas, kas nepieciešams, lai veidotos jaunas šķīdušā un šķīdinātāja saites.

Lai jonu sāli izšķīdinātu ūdenī, lai iegūtu šķīdumu, ūdenim ir jāzina tā sauktā cietās vielas režģa entalpija un hidratācijas entalpija. Ja tas nav ūdens, tad to sauc par solācijas entalpiju.

Režģa entalpija ir enerģija, kas nepieciešama jonu tīkla sadalīšanai un veido gāzveida jonus - process, kas vienmēr ir endotermisks, jo enerģija ir jāpiegādā cietajai vielai, lai to sadalītu savos veidojošajos jonos un nogādātu tos gāzveida stāvoklī.

No otras puses, hidratācijas procesi vienmēr ir eksotermiski, jo hidratētie joni ir stabilāki nekā gāzveida stāvoklī esošie joni.

Šādā veidā šķīduma izveidošana var būt eksotermiska vai endotermiska atkarībā no tā, vai izšķīdinātā materiāla jonu režģa sadalīšana prasa vairāk vai mazāk enerģijas, nekā nodrošina hidratācija.

Mērījumi ar kalorimetru

Praksē ΔH var izmērīt kalorimetrā, kas pamatā sastāv no izolēta konteinera, kas aprīkots ar termometru un maisīšanas stieni.

Tvertnē gandrīz vienmēr tajā ielej ūdeni, kas ir kalorimetriskais šķidrums par izcilību, jo tā īpašības ir universāla atsauce uz visiem šķidrumiem.

Lavoisier izmantotais vecais kalorimetrs. Avots: Gustavocarra.

Protams, kalorimetru materiāli papildus ūdenim ir iesaistīti arī siltuma apmaiņā. Bet visa siltuma jaudu, ko sauc par kalorimetru konstanti, var noteikt atsevišķi no reakcijas un pēc tam ņemt vērā, kad notiek reakcija.

Enerģijas bilance ir šāda, atceroties nosacījumu, ka sistēmā nav enerģijas noplūdes:

- veidojas šķidrs ūdens:

½ O ₂ + ½ H ₂ → H ₂ O _šķidrums ; Δ H ^o = -285,9 kJ / mol

- Tagad jums ir jāveido risinājums:

_Solid K + H ₂ O → ½ H ₂ + _aqueous KOH ; ΔH ^o = -2011 kJ / mol

Ņemiet vērā, ka KOH dezintegrācijas entalpijas zīme ir apgriezta, kas ir saistīts ar Hesa ​​likumu: kad reaģenti tiek pārveidoti produktos, entalpijas izmaiņas nav atkarīgas no veiktajiem soļiem un kad vienādojums jāapgriež. , tāpat kā šajā gadījumā, entalpijas izmaiņas zīme.

Enerģijas bilance ir entalpiju algebriskā summa:

- 2. vingrinājums

Šķīduma entalpija nākamajai reakcijai tiek noteikta konstanta spiediena kalorimetrā, un ir zināms, ka kalorimetra konstante ir 342,5 J / K. Kad 1.423 g nātrija sulfāta Na ₂ SO _{4 tiek} šķīdināts 100.34 g ūdens, temperatūras izmaiņas ir 0.037 K. Aprēķināt standarta entalpija šķīduma Na ₂ SO ₄ no šiem datiem.

Risinājums

Šķīduma standarta entalpija tiek atrisināta no vienādojuma, kas dots iepriekš:

Nātrija sulfātam: M _s = 142,04 g / mol; m _s = 1,423 g

Un ūdenim: m _ūdens = 100,34 g; M _ūdens = 18,02 g / mol; C _{ūdens; m} = 75,291 J / K mol

ΔT = 0,037 K

C _kalorimetrs = 342,5 J / K

Atsauces

1. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7. izdevums. 782 - 790
2. Engel, T. 2007. Ievads fizikāli ķīmijā: Termodinamika. Pīrsona izglītība. 63-78.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. .. Eda Prentice zāle. 384-391.
4. Maron, S. 2002. Fizikāli ķīmijas pamati. Limusa. 152-155.
5. Servejs, R., Jewett, J. (2008). Fizika zinātnei un inženierijai. 1. sējums. 7. Ed. Cengage mācīšanās. 553-567.