ความร้อนของสารละลาย: คำนวณการใช้งานและแบบฝึกหัดอย่างไร - กายภาพ

ความร้อนของการแก้ปัญหาหรือเอนทัลปีของการแก้ปัญหาคือความร้อนที่ถูกดูดซึมหรือปล่อยออกมาในระหว่างขั้นตอนการสลายตัวของจำนวนหนึ่งของตัวละลายในตัวทำละลายภายใต้เงื่อนไขของความดันอย่างต่อเนื่อง

เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีต้องใช้พลังงานทั้งในการก่อตัวและทำลายพันธะที่ทำให้เกิดสารใหม่ พลังงานที่ไหลเพื่อให้กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นคือความร้อนและเทอร์โมเคมีเป็นสาขาของวิทยาศาสตร์ที่รับผิดชอบในการศึกษาพวกเขา

ที่มา: Pixnio

สำหรับคำว่าเอนทัลปีใช้เพื่ออ้างถึงการไหลของความร้อนเมื่อกระบวนการทางเคมีเกิดขึ้นภายใต้สภาวะของความดันคงที่ การสร้างคำนี้เป็นผลมาจากนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes (1853 - 1926) คนเดียวกับที่ค้นพบตัวนำยิ่งยวด

คำนวณอย่างไร?

ในการค้นหาเอนทาลปีเราต้องเริ่มต้นจากกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ซึ่งพิจารณาว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในΔUของระบบเกิดจากความร้อนที่ดูดซับ Q และงานที่ทำโดยตัวแทนภายนอกบางส่วน:

ที่ทำงานคืออินทิกรัลเชิงลบของปริมาตรทั้งหมดของผลคูณของความดันและการเปลี่ยนแปลงเชิงอนุพันธ์ของปริมาตร คำจำกัดความนี้เทียบเท่ากับอินทิกรัลลบของผลคูณสเกลาร์ของแรงและเวกเตอร์การกระจัดในงานเครื่องกล:

เมื่อใช้สภาวะความดันคงที่ที่กล่าวถึงข้างต้น P สามารถออกไปจากอินทิกรัลได้ ดังนั้นงานคือ:

- นิพจน์สำหรับเอนทาลปี

หากผลลัพธ์นี้ถูกแทนที่ในΔ U เราจะได้รับ:

ปริมาณ U + PV เรียกว่าเอนทาลปี H ดังนั้น:

เอนทัลปีวัดเป็นจูลเนื่องจากเป็นพลังงาน

เอนทาลปีของโซลูชัน

ส่วนประกอบเริ่มต้นของสารละลายคือตัวถูกละลายและตัวทำละลายและมีเอนทาลปีดั้งเดิม เมื่อเกิดการสลายตัวนี้จะมีเอนทาลปีเป็นของตัวเอง

ในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีในจูลสามารถแสดงเป็น:

ทั้งในรูปเอนทาลปีมาตรฐานΔH ^oโดยที่ผลลัพธ์อยู่ในหน่วยจูล / โมล

ถ้าปฏิกิริยาให้ความร้อนเครื่องหมายของΔHจะเป็นลบ (กระบวนการคายความร้อน) ถ้ามันดูดซับความร้อน (กระบวนการดูดความร้อน) เครื่องหมายจะเป็นบวก และตามธรรมชาติแล้วค่าของเอนทาลปีของสารละลายจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลายสุดท้าย

การประยุกต์ใช้งาน

สารประกอบไอออนิกหลายชนิดละลายได้ในตัวทำละลายที่มีขั้วเช่นน้ำ สารละลายเกลือ (โซเดียมคลอไรด์) ในน้ำหรือน้ำเกลือมีการใช้งานทั่วไป ตอนนี้เอนทัลปีของการแก้ปัญหาถือได้ว่าเป็นการมีส่วนร่วมของพลังงานสองอย่าง:

- หนึ่งในการทำลายพันธะตัวถูกละลายและตัวทำละลายตัวทำละลาย

- อีกอย่างคือสิ่งที่จำเป็นในการสร้างพันธะตัวถูกละลายตัวทำละลายใหม่

ในกรณีของการละลายของเกลือไอออนิกในน้ำจำเป็นต้องทราบสิ่งที่เรียกว่าเอนทาลปีแลตทิซของของแข็งและเอนทาลปีของการให้น้ำเพื่อสร้างสารละลายในกรณีของน้ำ ถ้าไม่ใช่น้ำจะเรียกว่าเอนทัลปีแห่งการละลาย

เอนทาลปีแลตทิซเป็นพลังงานที่ต้องใช้ในการสลายไอออนิกแลตทิซและสร้างไอออนของก๊าซซึ่งเป็นกระบวนการที่มีการดูดความร้อนอยู่เสมอเนื่องจากต้องจ่ายพลังงานให้กับของแข็งเพื่อแยกออกเป็นไอออนที่เป็นส่วนประกอบและนำไปสู่สถานะก๊าซ

ในทางกลับกันกระบวนการไฮเดรชั่นมักจะคายความร้อนเนื่องจากไอออนไฮเดรตมีความเสถียรมากกว่าไอออนในสถานะก๊าซ

ด้วยวิธีนี้การสร้างสารละลายสามารถคายความร้อนหรือดูดความร้อนได้ขึ้นอยู่กับว่าการแตกตัวของตาข่ายไอออนิกของตัวถูกละลายนั้นต้องการพลังงานมากหรือน้อยกว่าที่ไฮเดรชั่นให้

การวัดด้วยแคลอริมิเตอร์

ในทางปฏิบัติเป็นไปได้ที่จะวัดΔHในแคลอริมิเตอร์ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยภาชนะหุ้มฉนวนที่มีเทอร์โมมิเตอร์และแกนกวน

สำหรับภาชนะนั้นน้ำมักจะถูกเทลงในนั้นซึ่งถือเป็นความยอดเยี่ยมของของเหลวที่มีความสามารถในการคำนวณเนื่องจากคุณสมบัติของมันเป็นข้อมูลอ้างอิงสากลสำหรับของเหลวทั้งหมด

เครื่องวัดความร้อนแบบเก่าที่ Lavoisier ใช้ ที่มา: Gustavocarra

แน่นอนว่าวัสดุของเครื่องวัดความร้อนยังมีส่วนเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนความร้อนนอกเหนือจากน้ำ แต่ความจุความร้อนของชุดประกอบทั้งหมดที่เรียกว่าค่าคงที่ของแคลอริมิเตอร์สามารถกำหนดแยกจากปฏิกิริยาแล้วนำมาพิจารณาเมื่อเกิดขึ้น

ความสมดุลของพลังงานมีดังต่อไปนี้โดยจดจำสภาพที่ไม่มีการรั่วไหลของพลังงานในระบบ:

- น้ำเหลวเกิดขึ้น:

½ O ₂ + ½ H ₂ → H ₂ O _{ของเหลว} ; Δ H ^o = -285.9 กิโลจูล / โมล

- ตอนนี้คุณต้องสร้างโซลูชัน:

_{ของแข็ง} K + H ₂ O →½ H ₂ + _น้ำ KOH ; Δ H ^o = -2011 กิโลจูล / โมล

โปรดสังเกตว่าสัญลักษณ์ของเอนทัลปีของการแตกตัวของ KOH ถูกกลับด้านซึ่งเป็นเพราะกฎของ Hess: เมื่อสารตั้งต้นถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีจะไม่ขึ้นอยู่กับขั้นตอนที่ตามมาและเมื่อจำเป็นต้องกลับสมการ เช่นในกรณีนี้เครื่องหมายการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี

ความสมดุลของพลังงานคือผลรวมพีชคณิตของเอนทัลปี:

- การออกกำลังกาย 2

เอนทัลปีของสารละลายสำหรับปฏิกิริยาถัดไปจะถูกกำหนดในเครื่องวัดความดันคงที่และค่าคงที่ของแคลอริมิเตอร์เป็น 342.5 J / K เมื่อโซเดียมซัลเฟต 1.423 กรัม Na ₂ SO ₄ละลายในน้ำ 100.34 กรัมการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเท่ากับ 0.037 K คำนวณเอนทาลปีมาตรฐานของสารละลายสำหรับ Na ₂ SO ₄จากข้อมูลเหล่านี้

สารละลาย

เอนทาลปีมาตรฐานของการแก้ปัญหาได้รับการแก้ไขจากสมการที่ให้ไว้ด้านบน:

สำหรับโซเดียมซัลเฟต: M _s = 142.04 g / mol; ม_s = 1.423 ก

และสำหรับน้ำ: ม. _น้ำ = 100.34 กรัม M _น้ำ = 18.02 g / mol; C _{น้ำ; m} = 75.291 J / K mol

Δ T = 0.037 K

C _{แคลอริมิเตอร์} = 342.5 J / K

อ้างอิง

Cengel, Y. 2555. อุณหพลศาสตร์. 7th Ed. Mc.Graw Hill. 782 - 790
Engel, T. 2007. Introduction to Physicochemistry: Thermodynamics. การศึกษาของเพียร์สัน. 63-78
Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th .. Ed Prentice Hall. 384-391
Maron, S. 2002. พื้นฐานทางฟิสิกส์เคมี. Limusa 152-155
Serway, R. , Jewett, J. (2008). ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม. เล่ม 1. 7th. Ed. Cengage Learning. 553-567

ความร้อนของสารละลาย: คำนวณการใช้งานและแบบฝึกหัดอย่างไร - กายภาพ - 2026